Різання лезовим інструментом із надтвердих нітридів бору

РІЗАННЯ ЛЕЗОВИМ ІНСТРУМЕНТОМ ІЗ НАДТВЕРДИХ НІТРИДІВ БОРУ

Вступ

Останнім часом широкого застосування набули інструменти, оснащені синтетичними надтвердими матеріалами. Основою для їх синтезу є нітрид бору. Найбільш поширені: Ельбор-Р (композит 01), Гексаніт-Р (композит 10), Белбор (композт 02), композит 09 (ПТНБ). .Вони дещо поступаються алмазу за твердістю, однак характеризуються високою термостійкістю, (до 1500° С), високим опором термічним ударам та циклічним навантаженням, а також слабкою хімічною взаємодією з залізом.

Найбільш ефективне застосування лезового інструмента з нітриду бору при обробці загартованих сталей, чавунів різноманітної твердості, наплавлених матеріалів, важкооброблюваних високолегованих сталей та сплавів.

Процес різання лезовим інструментом на основі надтвердих модифікацій нітриду бору істотно відрізняється від процесу різання алмазним інструментом, що визначається його особливими фізико-механічними властивостями.

1. Контактні процеси

Основною відмінністю контактних процесів при взаємодії алмазного та нітридборного інструментів з оброблюваним матеріалом є характер тертя. Якщо тертя алмазу по більшості оброблюваних матеріалів підпорядковується законам зовнішнього тертя, то для нітридборного інструмента - законам внутрішнього тертя, тому що на його поверхні утворюється плівка оброблюваного металу, яка міцно утримується.

Ріст швидкості сильно зменшує розмір коефіцієнта тертя нітриду бору з металами, тому що з ростом швидкості підвищується температура на поверхні тертя, зменшується адгезійна взаємодія, знижується міцність зв'язку метал-метал. (температура в контакті може досягати 1000 °С)

Так, при терті алмазу з латунню (зовнішнє тертя) вплив швидкості практично відсутній, у той час як при терті нітриду бору з латунню (внутрішнє тертя) швидкість впливає на коефіцієнт тертя (рис. 1).

Рис. 1.

2. Особливості стружкоутворення

Для обробки нітридборними матеріалами характерний менший ступінь деформації зрізуваного шару. Вплив швидкості різання на рис. 2.

Рис. 2.

Є три характерних діапазони впливу швидкості різання на усадку стружки: до межі першого і другого діапазонів (v12) коефіцієнт стовщення стружки росте, до межі другого і третього (v23) із зростанням швидкості - круто падає, а в третьому діапазоні, при великих швидкостях різання - убуває монотонно. Його падіння при v>vІ2 пояснюється зміною коефіцієнта тертя між стружкою і передньою поверхнею із зростанням температури.

Значну роль у зміні коефіцієнта стовщення стружки відіграє налипання. Так, із зростанням швидкості різання до v23 збільшується до максимальних значень дійсний передній кут інструмента, ступінь деформації зрізуваного шару зменшується, коефіцієнт стовщення стружки досягає мінімуму. При v> v23 налипання зникає і швидкість різання впливає на коефіцієнт стовщення стружки через тепловий чинник.

3. Сили різання

Рис. 3.

Різання загартованих сталей лезовим інструментом із нітриду бору супроводжується більш низьким рівнем сил різання порівняно з обробкою традиційним інструментом. Як правило, через малі товщини зрізу важливу рольвідіграють сили на задній поверхні інструмента, їх розмір може перевищувати сили на передній поверхні, які визначають стружкоутворення. На рис. 3 наведені залежності складових сили різання від швидкості при точінні загартованих сталей різцями з нітриду бору. Всі три складові сили Рх, Ру, Рzзмінюються за одним законом. Із збільшенням швидкості різання вони швидко ростуть, сягаючи максимуму, і далі знижуються, спочатку більш інтенсивно. Із зростанням швидкості різання інтенсивність зменшення сил різання знижується. Це пояснюється контактними процесами в зоні різання. У районі низьких значень зростання швидкості збільшує температуру різання і, отже, адгезійну взаємодію оброблюваного матеріалу з інструментом. При цьому коефіцієнт тертя в контакті росте, росте і сила різання. Подальше зростанняшвидкості різання продовжує збільшувати температуру в контакті інструмент - оброблюваний матеріал до значень, при яких падає міцність адгезійних зв'язків через пом'якшення металу. Коефіцієнт тертя при цьому знижується і, отже, знижуються сили різання. Таким чином, зниження сил викликається розігрівом зони різання до 1000-1100° С. При цьому радіальна складова Ру_ практично завжди більше головної складової – тангенціальної Рz, тобто традиційне співвідношення між складовими сили різання порушується. Це пояснюється великими силами, що діють з боку задньої поверхні.

Спостерігається великий вплив зносу інструмента, Із збільшенням якого сили різання ростуть, особливо радіальна складова Ру. Її переважання над іншими складовими збільшується. Це відбувається тому, що інструмент із нітриду бору зношується в основному по задній поверхні, що збільшує сили з боку задньої поверхні.

4. Теплові явища

Вивчення теплових явищ при різанні загартованих сталей різцями з нітриду бору представляє певні складнощі, пов'язані з неможливістю використовувати метод природної термопари через низьку електропровідність інструмента. Використовуючи метод штучної термопари з іншими методами, наприклад, методом термоіндикаторів, можна достатньо вірогідно визначити температурне поле в інструменті, деталі, стружці (рис. 5.7).

Як показують дослідження, температура в зоні різання досягає 1000-1100 ° що значно вище, ніж при традиційній лезовій обробці. На рис. 4 наведені залежності температури різання від швидкості.

З підвищенням швидкості внаслідок збільшення роботи різання і кількості тепла, що виділяється, росте температура, але її зростання відстає від росту швидкості різання. Це відставання посилюється в зоні високих швидкостей. На кривій можна виділити три характерні інтервали.

Рис. 4

У першому - при низьких швидкостях різання утворюється стружка сколювання, довжина контакту якої з передньою поверхнею невелика. Але на задній поверхні із зростанням коефіцієнта тертя температура інтенсивно збільшується. В другому діапазоні швидкостей різання оброблюваний матеріал розм'якшується, коефіцієнт тертя знижується, інтенсивність зростання температури зменшується. При великих швидкостях різання утворюється зливна стружка, інтенсивність зростання температури незначна, що пояснюється зменшенням коефіцієнта тертя, сили різання, зниженням пластичної деформації стружки і різкого збільшення тепловідведення в навколишнє середовище.

5. Зносостійкість інструмента

Інтенсивність зносу різців із ПНТМ визначається, насамперед, швидкістю різання: при малих швидкостях унаслідок динамічної нестійкості процесу різання інтенсивно зношується задня поверхня; при оптимальних швидкостях різання знос знижується, тому що наявність загальмованого прошарку на передній поверхні зменшує його; при високих швидкостях різання інтенсивність зносу різко зростає, тому що на різці відсутній захисний прошарок металу, що визначає характер контактної взаємодії різця з заготовкою, а високі температури викликають фазові перетворення і зниження міцнісних характеристик ПНТМ.

Як критерій відносної стійкості різців із нітриду бору була обрана довжина шляху різання 1, що дорівнює І - ТV; де Т- стійкість інструмента в хв, V— швидкість різання, м/хв.

Характерна горбоподібна залежність наведена на рис. 5.

Оптимальні швидкості різання знаходяться в порівняно вузькому діапазоні значень. При низьких швидкостях температура в зоні різання відносно невисока, а рівень коефіцієнта тертя й усадки стружки значно більший. Сили різання великі та нестабільні, тому що мають місце коливання через динамічну неврівноваженість процесу. Все це робить процес при низьких швидкостях різання нестабільним.Спостерігається інтенсивний абразивний знос інструмента з боку задніх поверхонь. Частки надтвердого матеріалу, що викришились із ріжучої кромки, заклинюються між задньою поверхнею інструмента й обробленою поверхнею деталі та проорюють борозни на поверхні інструмента. Опаданню же ріжучої кромки сприяє нерівномірність процесу при низьких швидкостях різання. Із зростанням швидкості, а значить, і температури процес різання стабілізується. Знижується коефіцієнт тертя, усадка стружки і сили різання. Стружка сколювання переходить у зливну, більш стійку. При цьому коливання сил, мікровібрації різко знижуються. Температура в зоні різання сприяє розм'якшенню прошарків металу. На поверхні інструмента утворюється тонкий прошарок оброблюваного металу - налипання, загальмований прошарок, що міцно утримується на різці, оберігаючи його від інтенсивного зносу. Цей загальмований прошарок, що може бути розглянутий і як мікронаріст, відіграє роль захисного покриття і свідчить про «пристосовуваність» різального інструмента до умов різання для самозбереження. У цьому діапазоні швидкостей різання знос так само відбувається по задній поверхні, проте тут він мінімальний. Діапазон оптимальних швидкостей різання вузький, і тому вихід за його межі веде до різкої втрати працездатності інструмента, а, значить, до його компрометації, що іноді і буває на практиці застосування цього інструмента.

Подальше підвищення швидкості викликає зростання температури різання до значень, при яких вироджується загальмований прошарок, відкриваючи передню поверхню потоку дуже гарячої стружки, що призводить до інтенсифікації процесу зносу. Цьому сприяє і те, що при таких швидкостях різання починається знос передньої поверхні, який опускає ріжучу кромку нижче рівня передньої поверхні й утворює «сходинку».

Таким чином, оптимальна працездатність інструмента із нітриду бору при точінні загартованих сталей реалізується в порівняно вузькому діапазоні швидкостей різання і, отже, температур.

Рис. 5

Значно впливають на зносостійкість різців із нітриду бору фазово-структурні особливості інструмента. При точінні загартованої сталі різцями з нітриду бору на основі сфалериту (сульфід цинка ZnS) - Ельбор-Р - оптимум у залежності довжини шляху різання від швидкості зрушений убік великих її значень. А оптимум для різців на основі вюрцита - Гексаніт-Р зрушений убік менших швидкостей різання (рис. 5). Це пояснюється розходженням у фізико-механічних властивостях Ельбору-Р і Гексаніту-Р, і, в першу чергу, різною термостійкістю, теплопровідністю, різними міцнісними показниками.