Износ инструмента: виды, диагностика, стойкость
Инструментальный износ: разновидности, выявление, ресурс работы
Приветствую вас, уважаемые коллеги! Несомненно, более двух десятилетий мною ведётся работа в цеху: я непосредственно нахожусь у станков, сам осуществляю подбор рабочих режимов и, бывало, вынужден менять сломанные пластины. К слову, должен я вам отметить: инструментальный износ — это вовсе не абстрактные данные, встречающиеся в учебных пособиях. Прежде всего, за ним стоят ощутимые финансовые затраты, длительные периоды вынужденного бездействия оборудования, объёмы некондиционной продукции и, конечно же, стресс руководителя производственного процесса. Однажды, скажем, на фрезерном участке нашим оператором был упущен момент усиления износа торцевой фрезы. В корпусах из 40Х нами делались пазы, созданные под уплотнения. Согласно техпроцессу, допуск для глубины паза составлял ±0.03 мм. Фреза, по правде говоря, начала проявлять VB, однако оператор отвлёкся и не произвёл её замену. В результате, 15 элементов оказались выполнены с глубиной на 0.1 мм большей, нежели требовалось. Коррекция? Увы, лишь утилизация. Таким образом, 15 заготовок были списаны, стоимость каждой составляла 2500 рублей. Общий убыток за единственную смену, вызванный невнимательностью, достиг 37 500 рублей. Вот вам, дорогие друзья, и ответ, что скрывается за выражением "просто износ".
Мною, конечно, наблюдается повседневная работа людей. Например, одни специалисты до предела загружают оборудование, пока визг стружки не начнётся, тогда как другие, наоборот, выбрасывают почти целые пластины, испытывая боязнь. Очевидно, идеальное равновесие находится всегда где-то близко. Однако, чтобы его обнаружить, нужно понимать, что конкретно происходит с режущей кромкой, какие существуют разновидности износа, как их можно выявить на ранних этапах и, самое главное, каким образом продлить срок службы инструмента, при этом не жертвуя ни качеством изделий, ни производственной эффективностью. В данном материале я готов поделиться накопленным мною опытом – теми знаниями, которые я получил за многие годы непосредственной работы у станка, а не лишь прочитал в каких-либо брошюрах. Будем вести беседу откровенно, без лишних слов, о действительно актуальных вопросах.
Помните, что правильная оценка степени износа даёт не только экономию инструментального оснащения, но и стабильность всего процесса. Ничто не может быть хуже нестабильной работы, когда то вы держите допуск, то нет. Каждый расходный элемент, каждая фреза имеет определённый ресурс. Наша главная задача – данный ресурс применять максимально эффективно, избегая переплат за ранние замены и предотвращая получение брака вследствие запоздалых. Именно этим вопросом мы сегодня и займёмся.
Содержание
- Основная систематизация инструментальных износов
- Воздействие инструментальных материалов и покрытий на процесс износа
- Критерии для подбора инструмента с учётом факторов износа
- Базовые данные и государственные стандарты по инструментальному износу
- Сравнительный обзор видов износа для различных инструментов
- FAQ: Наиболее частые вопросы об износе инструментального оснащения
- Заключительные мысли
Основная систематизация инструментальных износов
Начнём, пожалуй, с классических моментов. Вы, допустим, находитесь у станка, производя обработку детали. Весь процесс протекал благополучно, стружка красиво завивалась, а звук был ровным. И вдруг – неожиданно! – звучание изменилось, стружка приобрела рваный вид, на поверхности изделия появились царапины или задиры. Что же это? Инструмент "сел", иначе говоря. Вопрос тогда: каким конкретно образом он "сел"? Ведь понимание точной разновидности износа — это, безусловно, половина успеха в выборе оптимальных режимов работы, смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) или даже другого оснащения. Иначе вами будет производиться замена всего подряд, как в лотерее, без какого-либо точного результата.
Мною наблюдалось, например, как на расточном участке велась проточка отверстий в блоках из чугуна. Здесь использовался инструмент Sandvik Coromant, оснащённый пластинами GC4225. Все параметры были заданы строго по рекомендациям, но спустя 10-15 обработанных деталей режущая кромка начинала крошиться. Оператор предполагал, что это результат отслоения покрытия. После этого пластина была заменена на другую геометрию, подача чуть уменьшилась. Стойкость действительно увеличилась, но незначительно. Вскоре пришёл технолог, который осмотрел кромку под микроскопом – и там обнаружилось не отслаивание, а, по сути, выкрашивание. Просто геометрия пластины оказалась излишне острой для чугуна, и к тому же имелись вибрации. После усиления закрепления, а также замены пластины на более прочную геометрию, имеющую упрочнённую кромку и меньший радиус при вершине, стойкость значительно возросла – с 15 до 80 деталей. А это уже, безусловно, совершенно иные денежные вложения.
1. Износ по задней поверхности (VB, Flank Wear)
Очевидно, это наиболее распространённая и, можно сказать, "типичная" разновидность износа. Если вы работаете токарем или фрезеровщиком, то вами он наблюдается чаще всего. Главная задача: как определить, что это именно такой вид? Если вы, предположим, обрабатываете сталь 45ХН на токарном станке и вдруг замечаете, что на обрабатываемой плоскости появился блеск, а режущая кромка пластины стала как бы "закруглённой" или "притуплённой" – это, дорогие друзья, он и есть. И если вы не произведёте замену инструмента, то допуск по диаметру, скорее всего, уйдёт в плюс, а параметр шероховатости Rz увеличится с 3.2 до 6.3 и даже выше.
Механизм развития: Абразивное истирание задней поверхности инструмента о вновь образованную поверхность заготовки ведётся. С каждым оборотом, с каждым миллиметром продвижения, микроскопические частицы отрываются от задней поверхности. В условиях высоких температур, которые, к слову, могут достигать 800-1000°C непосредственно на режущей кромке при обработке легированных сталей, происходит размягчение материала инструмента, и сам процесс ускоряется.
Выявление: Визуально оно определяется по ширине фаски износа на задней поверхности. Измерение ведётся с помощью штангенциркуля или оптического микроскопа. Как правило, допустимая ширина износа VB обычно составляет 0.3-0.6 мм для получистовых операций и 0.15-0.3 мм для чистовых. Превышение данных значений, естественно, ведёт к резкому ухудшению качества обрабатываемой поверхности и значительному увеличению сил резания.
Практический совет: Не стоит ждать, пока показатель VB достигнет 0.5 мм при чистовой обработке. Если вами отмечается, что ширина фаски уже 0.25-0.3 мм, а допуск у вас ±0.02 мм, безусловно, лучше произвести замену. Таким образом, вы сэкономите себе немало нервов и предотвратите появление брака. Особенно актуальным это будет для тонкостенных элементов, где рост сил резания вследствие износа способен привести к деформации.
2. Износ по передней поверхности (Кратер, Кратерный износ, Crater Wear)
Такой вид износа характерен, прежде всего, для обработки пластичных материалов, например, нержавеющих сталей 304L или жаропрочных сплавов типа Inconel 718. У меня лично был один случай: производилось фрезерование пазов в элементах из нержавейки 304L. Здесь применялась фреза Mitsubishi со сменными пластинами. Вроде бы всё протекало нормально, но неожиданно пластины начали выходить из строя гораздо быстрее, чем предполагалось. Мы, разумеется, меняли геометрию, снижали подачи – ничего не помогало. Потом более внимательно присмотрелись: на передней плоскости пластины, непосредственно за режущей кромкой, образовалось углубление – кратер. И этот кратер, развиваясь, постепенно ослаблял кромку, до тех пор пока она не начинала крошиться или обламываться.
Механизм развития: Он возникает из-за интенсивного трения стружки о переднюю поверхность инструмента при значительных температурах и давлениях. Стружка, отходя от кромки, подобно абразивному потоку, вымывает частицы материала инструмента. Чем выше параметры скорости резания и температуры, тем более интенсивной становится диффузия – то есть, взаимопроникновение атомов инструмента и заготовки. Углерод из инструмента переходит в стружку, тогда как железо из стружки – в инструмент, что ведёт к образованию хрупких карбидов, и, в итоге, материал ослабевает. Для жаропрочных сплавов это особенно значимо, поскольку им присуща высокая склонность к налипанию и адгезии.
Выявление: Визуально он обнаруживается по характерной впадине (кратеру) на передней поверхности. Чаще всего кратер развивается на некотором отдалении от режущей кромки. Измерение ведётся глубины и ширины кратера. Для большинства материалов глубина кратера должна составлять не более 0.15-0.2 мм. Если кратер оказывается слишком близко к кромке, это, естественно, свидетельствует о чересчур агрессивном режиме или о некорректной геометрии.
Практический совет: Если вами обнаруживается кратерный износ, прежде всего, попытайтесь снизить скорость резания (Vc). Это, несомненно, уменьшит температуру и диффузию. Также крайне важен выбор покрытия – PVD-покрытия, к примеру, TiAlN, TiSiN или AlCrN, обладают значительно лучшей устойчивостью к формированию кратера, чем CVD. И, конечно же, не забывайте про геометрию – стружколомы, которые эффективно отводят стружку, снижают её контакт с передней поверхностью.
3. Нарост на режущей кромке (BUE, Built-Up Edge)
Нарост — это, по сути, коварный оппонент, который поначалу даже способен "защищать" кромку. Но впоследствии он оборачивается причиной серьезных неприятностей. Нарост – это когда на режущей кромке происходит налипание материала заготовки. Особо часто это явление наблюдается при обработке низкоуглеродистых сталей (Ст3, Ст20), алюминия, меди и некоторых разновидностей нержавеющих сталей при низких скоростях резания и недостаточном охлаждении. Однажды на нашем участке велась работа с алюминиевыми сплавами АМг6. Валы были протачиваемы с финишной обработкой. Поверхность изначально была идеальной, но затем внезапно начались задиры, а также рваные кромки. Оператор грешил на инструмент, но, как оказалось, он просто не производил его замену достаточно часто, и нарост продолжал накапливаться. В итоге, каждая десятая деталь оказывалась бракованной по параметру шероховатости.
Механизм развития: Прилипание частиц обрабатываемого материала к режущей кромке инструмента происходит. Данное явление обусловлено высокими давлениями, температурами и химическим сродством между материалами инструмента и заготовки. Нарост формируется, постепенно увеличивается, а затем периодически отрывается, унося с собой мельчайшие частицы инструмента и оставляя повреждения на его кромке. Это, безусловно, ведёт к нестабильной работе, ухудшению качества обрабатываемой поверхности и изменению геометрии режущей кромки.
Выявление: Визуально он проявляется по характерному налипанию материала на режущей кромке. Иногда нарост может оказаться труднозаметным невооружённым глазом, но его легко определить по резкому ухудшению качества обработанной поверхности (появлению задиров, рисок, повышенной шероховатости). Инструмент с наростом, естественно, часто издаёт характерный скрипящий звук.
Практический совет: Для эффективной борьбы с наростом, прежде всего, нужно увеличить скорость резания (Vc). Это, несомненно, приведёт к повышению температуры в области резания и уменьшит адгезию. Также весьма эффективным даёт себя применение СОЖ, обладающих высокими смазывающими характеристиками (например, эмульсии с высоким содержанием масел). Алюминий, к слову, вообще "любит" полированные поверхности, поэтому инструменты с полированной передней поверхностью или с покрытиями, созданные на основе DLC (Diamond-Like Carbon), проявляют себя отлично. Важен также выбор оптимальной геометрии с положительным передним углом, которая способствует облегчению схода стружки.
4. Выкрашивание режущей кромки (Chipping)
Выкрашивание — это, вероятно, самая непредсказуемая и вызывающая раздражение разновидность износа. Казалось бы, всё шло прекрасно, но затем внезапно откололся небольшой фрагмент кромки. И всё, инструмент, к сожалению, сразу на выброс. Особо часто это происходит при обработке закалённых сталей, чугунов или при работе с прерывистым резанием, когда инструмент постоянно вступает в контакт с заготовкой и покидает его. На токарном участке, например, при растачивании отверстий переменного сечения в корпусах из стали 40ХНМА, пластины Kennametal регулярно выкрашивались. Допуск по диаметру составлял ±0.02 мм, а из-за выкрашивания геометрия кромки нарушалась, и детали попадали в брак. Нам пришлось, естественно, полностью пересматривать весь технологический процесс.
Механизм развития: Он возникает из-за локальных перегрузок, ударных воздействий или тепловых напряжений, которые превосходят предел прочности материала режущей кромки. Это, вероятно, может быть связано с микродефектами в материале инструмента, неравномерностью его структуры, чрезмерно хрупким материалом или покрытием, а также с вибрациями самого станка или излишне жёстким режимом резания. Прерывистое резание, когда кромка постоянно испытывает ударные нагрузки при вхождении в материал и его покидании, значительно повышает риск выкрашивания. Также причиной способен стать некорректный способ закрепления инструмента или избыточный вылет.
Выявление: Визуально оно проявляется по мелким сколам и отколам, образующимся на режущей кромке. Иногда выкрашивание способно быть столь незначительным, что его сложно заметить невооружённым глазом, но оно, безусловно, ведёт к ухудшению качества поверхности и изменению размеров. Стружка может стать рваной и нерегулярной.
Практический совет: Если вами сталкивается проблема выкрашивания, прежде всего проверьте степень жёсткости системы СПИД (Станок-Приспособление-Инструмент-Деталь). Снизьте вылет инструмента, усильте закрепление обрабатываемой детали. Затем, конечно, посмотрите на параметры режимов резания: уменьшите подачу (fz) и глубину резания (ap). Это, несомненно, снизит нагрузку на режущую кромку. Также рассмотрите возможность использования более прочных марок твёрдых сплавов с лучшей ударной вязкостью (например, с повышенным содержанием кобальта) или пластин с более надёжной геометрией (допустим, с упрочнённой кромкой или большим радиусом при вершине). Иногда даёт помощь применение более интенсивной СОЖ, которая уменьшает температурные напряжения.
5. Термическое растрескивание (Thermal Cracks)
Термическое растрескивание — это, безусловно, бич процессов обработки на высоких скоростях, особенно когда задействуется прерывистое резание с обильным охлаждением. Представьте себе такую ситуацию: режущая кромка нагревается до 900°C при контакте с заготовкой, а затем, при выходе из зоны резания, её обливают холодной СОЖ. Резкий перепад температуры – и, естественно, материал не выдерживает. На нашем производстве нами фрезеровались пазы в стальных элементах на концевой фрезе Dormer Pramet. Стойкость оказалась неважной, пластины быстро покрывались трещинами. Мы предполагали, что это результат вибраций. Как оказалось, оператор подавал СОЖ тонкой струйкой, не давая стабильного охлаждения. В итоге, кромка то нагревалась, то резко остывала, и это привело к появлению сетки термических трещин.
Механизм развития: Формирование микротрещин, расположенных перпендикулярно режущей кромке, происходит из-за циклических тепловых напряжений. При высоких скоростях резания температура в контактной зоне, безусловно, способна достигать 800-1000°C. В процессе прерывистого резания (например, при фрезеровании) инструмент периодически входит в материал и выходит из него. В контакте он значительно нагревается, тогда как вне контакта – остывает, особенно если подаётся СОЖ. Резкие изменения температур (термошок), естественно, создают внутренние напряжения, которые приводят к образованию трещин. Эти трещины развиваются, соединяются и впоследствии даёт себя отслоением или выкрашиванием части кромки.
Выявление: Визуально оно определяется по характерной сетке мелких трещин, которые, обычно, перпендикулярны режущей кромке. При значительном развитии трещин возможно наблюдение отколов материала.
Практический совет: Если вами обнаруживаются термические трещины, у вас, по сути, есть два ключевых пути. Первый – это полностью убрать СОЖ (то есть, использовать сухое резание). Это, несомненно, снизит термошок, но приведёт к повышению температуры в зоне резания. Или, если СОЖ абсолютно нужна, нужно давать её обильную и стабильную подачу, чтобы температурные колебания на кромке не были столь резкими. Важен также выбор материала пластины – сорта с более высокой теплостойкостью и лучшей термостойкостью (допустим, с повышенным содержанием TiC в покрытии или карбиды с более высокой температурной стабильностью). Также можно попробовать снизить скорость резания, чтобы уменьшить максимальную температуру.
6. Пластическая деформация (Plastic Deformation)
Это состояние, когда кромка инструмента "течёт" под воздействием нагрузки. Представьте себе: вы нажимаете на горячий пластилин – он, конечно, деформируется. Точно такое же явление происходит с режущей кромкой при выполнении обработки в условиях очень высоких температур и значительных нагрузок. Это весьма характерно для обработки жаропрочных сплавов (таких как Inconel, Rene), закалённых сталей или при задействовании слишком высоких режимов. У нас был случай, связанный с обработкой легированной стали 12Х18Н10Т, применялись пластины Iscar. Оператор, пытаясь повысить производительность, чересчур сильно увеличил скорости и подачи. В итоге, вместо того чтобы выполнять резание, режущая кромка инструмента просто "плющилась", утрачивала свою геометрию, и инструмент становился непригодным уже через 2-3 минуты работы.
Механизм развития: При очень высоких температурах (которые близки к температуре размягчения материала инструмента) и значительных механических напряжениях материал режущей кромки, безусловно, утрачивает свою твёрдость и прочность. Он начинает "течь" под давлением стружки и подвергается деформации. Режущая кромка притупляется, её геометрия изменяется, что, в свою очередь, ведёт к ухудшению качества обработки и увеличению сил резания.
Выявление: Визуально оно проявляется по характерному изгибу или деформации режущей кромки. Она способна выглядеть "помятой", "загнутой" или "раздавленной". Часто это сопровождается увеличением показателя VB.
Практический совет: Пластическая деформация – это, безусловно, сигнал о том, что вами был превышен температурный предел, установленный для данного инструмента. В первую очередь – снижайте скорость резания (Vc) и подачу (fz). Это, очевидно, уменьшит температуру и нагрузку. Выбирайте материалы инструмента с высокой горячей твёрдостью и термостойкостью, к примеру, керметы, кубический нитрид бора (КНБ) или твёрдые сплавы с высоким содержанием тугоплавких соединений в составе покрытия (допустим, на основе Al2O3). Также, при наличии возможности, задействуйте СОЖ для эффективного снижения температуры.
7. Адгезионный износ (Adhesion Wear)
Адгезионный износ тесно связан с наростом, но он, безусловно, имеет свои характерные особенности. Это состояние, когда материал заготовки не просто налипает, а "сваривается" с материалом инструмента на микроуровне, а затем отрывается, унося с собой частицы инструмента. Это очень характерно для обработки алюминия, меди, титана, иногда также нержавеющих сталей. У нас на одном из станков велась обработка деталей из титанового сплава ВТ1-0. Применялся инструмент Sandvik Coromant R390. Мы начали замечать, что кромка как будто "забивается" титаном, а затем отваливается вместе с ним. После снижения скорости, подачи, и увеличения подачи СОЖ, ситуация улучшилась, но полностью проблему нами не было решено, пока не изменили геометрию на более острую и с полированной кромкой.
Механизм развития: Он возникает из-за "схватывания" (адгезии) материала заготовки с материалом инструмента в условиях высоких температур и давлений. Когда силы сдвига превышают прочность этой "сварки", происходит отрыв, но не всегда строго по границе раздела. Частицы инструмента вырываются и уносятся вместе со стружкой. Данный механизм, безусловно, ведёт к образованию микросколов, ямок и раковин на режущей кромке.
Выявление: Визуально он проявляется по мелким вырывам материала, образующимся на передней и задней поверхностях, часто также сопровождается наличием остатков обрабатываемого материала непосредственно на кромке.
Практический совет: Для эффективной борьбы с адгезионным износом ключевое значение даёт снижение химического сродства между материалами. Задействуйте СОЖ, обладающие хорошими смазывающими свойствами. Для алюминия и титана отлично подходят инструменты с очень гладкой (полированной) передней поверхностью или с DLC-покрытиями, которым свойственен низкий коэффициент трения. Геометрия с большим положительным передним углом, конечно, тоже помогает уменьшить площадь контакта и давление.
8. Абразивный износ (Abrasive Wear)
Абразивный износ – это, образно говоря, как наждачная бумага, которая постоянно трет вашу кромку. Он формируется, когда в материале заготовки присутствуют твёрдые включения (карбиды, оксиды, частицы песка в литье), которые просто царапают и истирают инструмент. Это крайне характерно для обработки чугунов (особенно с высоким содержанием перлита), закалённых сталей, композитных материалов или даже при работе с поверхностным слоем отливок, где могли остаться остатки формовочного песка. На нашем литейном производстве, например, когда нами фрезеровались корпусные детали из чугуна СЧ20, торцевые фрезы Dormer Pramet изнашивались очень быстро по задней поверхности. Мы долго экспериментировали с режимами, пока, наконец, не осознали, что это абразивный износ, вызванный включениями графита и карбидов в чугуне. Пришлось, естественно, перейти на использование более износостойких марок пластин.
Механизм развития: Он возникает из-за механического истирания материала инструмента твёрдыми частицами, которые находятся либо в обрабатываемом материале, либо в стружке. Эти частицы, выступая в роли микрорежущих элементов, удаляют материал с поверхности инструмента. Данное явление, безусловно, ведёт к образованию микроцарапин, бороздок и постепенному истиранию режущей кромки.
Выявление: Визуально оно определяется по характерным бороздкам и царапинам, образующимся на задней и передней поверхностях инструмента, часто сопровождается равномерным износом по задней поверхности (VB).
Практический совет: Против абразивного износа лучше всего даёт себя применение твёрдых и износостойких материалов для инструмента и его покрытий. CVD-покрытия, такие как TiCN, Al2O3, обладают высокой твёрдостью и значительной толщиной, что даёт хорошую защиту. Выбирайте твёрдые сплавы с высоким содержанием вольфрама и мелкой зернистостью. Если вами обрабатывается чугун, то марки с низким содержанием кобальта, которые, хоть и более хрупкие, но очень твёрдые, будут предпочтительнее. Не забывайте про геометрию: более прочные кромки и отрицательные передние углы способны немного помочь, распределяя нагрузку на бóльшую площадь.
9. Усталостное разрушение (Fatigue Fracture)
Усталость — это, безусловно, явление накопительного характера. Инструмент ломается не сразу, а постепенно накапливает микроповреждения под воздействием циклических нагрузок, пока в определённый момент не происходит его разрушение. Это часто наблюдается при прерывистом резании, наличии вибраций или при недостаточно жёсткой оснастке. Например, на сверлильном участке у нас часто ломались свёрла Mitsubishi при выполнении глубоких отверстий (L/D > 5) в стали 30ХГСА. Сверло не изнашивалось по режущей кромке, а просто ломалось по телу. Как оказалось, причина крылась в недостаточной жёсткости крепления заготовки и в вибрациях, которые постепенно накапливались, приводя к усталости материала сверла.
Механизм развития: Оно возникает из-за многократного воздействия циклических нагрузок (механических, тепловых), которые вызывают постепенное накопление микроповреждений в материале инструмента. Эти микроповреждения со временем развиваются в макротрещины, которые, в свою очередь, даёт хрупкому разрушению инструмента, часто даже без видимых признаков износа режущей кромки.
Выявление: Инструмент ломается внезапно, часто без явных проявлений пластической деформации или значительного износа режущей кромки. Излом, обычно, имеет характерный усталостный вид (с зонами развития трещины).
Практический совет: Для предотвращения усталостного разрушения нужно минимизировать циклические нагрузки и вибрации. Дайте максимальную жёсткость системе СПИД: используйте короткий вылет инструмента, надёжное закрепление заготовки и инструмента. Обязательно проверьте состояние самого станка – убедитесь в отсутствии люфтов или биений. Иногда даёт помощь снижение подачи и глубины резания, чтобы уменьшить пиковые нагрузки. Выбор инструмента, имеющего более вязкий материал и прочную геометрию, естественно, также играет свою роль. Применение СОЖ способно помочь снизить тепловые напряжения, которые тоже способствуют усталости.
10. Коррозионный износ (Corrosion Wear)
Коррозионный износ — не самый частый "гость" в сфере механической обработки, но о нём, безусловно, тоже нужно помнить, особенно при работе с экзотическими материалами или задействовании специфических СОЖ. Это состояние, когда материал инструмента подвергается разрушению из-за химической реакции с обрабатываемой средой (будь то СОЖ или материал заготовки). Например, при обработке титана с определёнными типами СОЖ, содержащими хлор, способна возникать коррозия. Или при обработке магниевых сплавов, которые, естественно, очень химически активны.
Механизм развития: Он возникает из-за химического взаимодействия материала инструмента с обрабатываемой средой (СОЖ, материал заготовки). Продукты коррозии (такие как оксиды, соли) затем легко удаляются механическим воздействием, открывая новые слои для дальнейшего развития коррозии. Данный процесс, конечно, ослабляет материал инструмента и способен привести к его полному разрушению.
Выявление: Визуально оно определяется по изменению цвета инструмента, появлению питтинга (точечной коррозии) или потере первоначального блеска. Наблюдаются продукты коррозии непосредственно на поверхности инструмента.
Практический совет: Если вами подозревается коррозионный износ, проверьте, естественно, совместимость СОЖ с материалом инструмента и обрабатываемой заготовки. Иногда достаточно просто сменить тип СОЖ. Также способны помочь инертные покрытия, которые химически устойчивы к агрессивным средам. В некоторых случаях придётся переходить на сухое резание, если без СОЖ процесс может быть осуществлён.
Воздействие инструментальных материалов и покрытий на процесс износа
Итак, удалось ли вам разобраться с различными видами износа? Отлично. Теперь давайте приступим к обсуждению того, как можно этому эффективно противостоять. Материал, из которого изготовлен инструмент, а также его покрытие – это, безусловно, наш ключевой "щит и меч" в борьбе за высокую стойкость. Не так давно на токарном участке нами обрабатывались валы из 40Х с закалкой 45 HRC. Здесь задействовались пластины Walter, оснащённые покрытием CVD. Стойкость, мягко говоря, оказалась не на высоте – всего 5-7 деталей. Оператор, конечно, менял режимы, но ситуация не улучшалась. Мною было предложено попробовать пластины Kennametal с покрытием PVD KCU25. И что вы думаете? Стойкость увеличилась до 20-25 деталей. Причина была предельно проста: для твёрдой закалённой стали PVD-покрытие, обладающее большей прочностью и меньшей склонностью к выкрашиванию, проявило себя гораздо эффективнее, нежели более толстое, но хрупкое CVD. Разница, очевидно, заключалась в материале и самом покрытии.
Выбор оптимального материала и покрытия — это не просто решение "лишь бы было". Это, безусловно, комплексная инженерная задача, где нужно учитывать особенности материала заготовки, тип обработки, требуемые параметры точности, шероховатости и, конечно же, себестоимость.
Твёрдые сплавы
Твёрдые сплавы, безусловно, составляют основу современного режущего инструментального оснащения. Их показатели прочности и износостойкости в разы превосходят быстрорежущие стали. Однако твёрдые сплавы бывают весьма разнообразными. К основным компонентам относятся: карбиды вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (TaC), ниобия (NbC) и, связующее звено, кобальт (Co).
- С высоким содержанием кобальта (например, 10-12%): Такие сплавы отличаются повышенной вязкостью, лучше противостоят выкрашиванию и ударным воздействиям. Идеально они подходят для прерывистого резания, обработки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов. Примерами могут служить Sandvik Coromant GC1130 или Iscar IC908. Однако их износостойкость, очевидно, ниже, чем у сплавов с небольшим содержанием кобальта.
- С низким содержанием кобальта (например, 4-6%): Эти сплавы, естественно, очень твёрдые и износостойкие, отлично подходят для обработки чугунов, закалённых сталей, где нужна высокая устойчивость к абразивному износу. Примером здесь будет Walter WPP20S. Но они, увы, более хрупкие и подвержены выкрашиванию при ударных воздействиях.
- Сплавы с добавками TiC, TaC, NbC: Эти добавки, несомненно, повышают горячую твёрдость и устойчивость к кратерообразованию, что делает их превосходным выбором для обработки сталей на высоких скоростях. Пример – Mitsubishi US735.
Практический совет: Если у вас постоянно возникают проблемы с выкрашиванием, попробуйте, естественно, сплав, имеющий более высокое содержание кобальта. Если инструмент просто "стирается" – ищите, скорее всего, сплав с меньшим содержанием кобальта или с добавками TiC/TaC для повышения износостойкости.
Керметы
Керметы (комбинация керамики и металла) – это, по сути, сплавы, созданные на основе TiC и TiN с включениями никеля и молибдена. Им присущи высокая твёрдость, значительная износостойкость и, что особенно важно, крайне низкая склонность к адгезии и наростообразованию. Идеально они подходят для чистовой обработки сталей и нержавеющих сталей, где требуется высокая точность и отменная шероховатость поверхности. Примером может служить Kennametal KCP25B. Однако керметы, безусловно, более хрупкие, нежели твёрдые сплавы, и "не любят" ударных нагрузок.
Практический совет: Если вам нужна зеркально гладкая поверхность и высокая точность при чистовой обработке стали или нержавейки, и при этом отсутствуют ударные нагрузки – попробуйте, естественно, кермет. Вы, возможно, будете приятно удивлены качеством получаемой поверхности.
Керамика
Керамические инструменты (созданные на основе Al2O3, Si3N4) – это, безусловно, вершина показателей твёрдости и термостойкости. Они способны работать на скоростях, которые недоступны твёрдым сплавам, и обрабатывать материалы исключительной твёрдости (закалённые стали >55 HRC, жаропрочные сплавы). Примером будет Sandvik Coromant CB20. Их ключевой недостаток – это, конечно, высокая хрупкость. Любая вибрация, любой удар – и пластина, увы, превращается в осколки.
Практический совет: Для выполнения обработки закалённых сталей или высокотемпературных сплавов на очень жёстких станках и при условии отсутствия прерывистого резания – керамика вполне может дать искомое решение. Но будьте, безусловно, крайне осторожны: малейшее ударное воздействие – и вы потеряете весьма дорогую пластину.
Кубический нитрид бора (КНБ, CBN)
КНБ – это, по сути, второй по твёрдости материал после алмаза. Идеально он создан под чистовую и получистовую обработку закалённых сталей (60-70 HRC), а также чугунов. Ему присущи фантастическая износостойкость и высокая термостойкость. Примером будет Iscar IB10H. Однако он, безусловно, очень дорог и хрупок. Задействуется преимущественно для чистовой обработки, где требуется достижение высокой точности и минимальной шероховатости.
Практический совет: Если вами обрабатываются очень твёрдые закалённые элементы, а другие инструменты не справляются, или же стойкость оказывается слишком низкой – попробуйте, безусловно, КНБ. Да, это будет дорого, но иногда это, к сожалению, единственный способ достичь нужного результата с требуемой стойкостью.
Покрытия
Покрытия – это, образно говоря, как своего рода броня для инструмента. Они, несомненно, значительно повышают показатели твёрдости, износостойкости, термостойкости и уменьшают коэффициент трения. Сегодня большинство твёрдосплавных пластин имеют слоистые покрытия. К основным технологиям относятся:
- CVD (Chemical Vapor Deposition) – Химическое осаждение из газовой фазы:
- Преимущества: Покрытия, безусловно, толстые, очень твёрдые и износостойкие (TiCN, Al2O3). Отлично они подходят для обработки стали и чугуна на высоких скоростях. Им присуща хорошая стойкость к абразивному износу и кратерообразованию.
- Недостатки: Из-за высоких температур процесса (900-1000°C) базовый материал способен подвергаться деградации, что делает кромку более хрупкой. Они не подходят для острых кромок и очень малых радиусов.
- Примеры: Sandvik Coromant GC4325, Walter WMP20S.
- PVD (Physical Vapor Deposition) – Физическое осаждение из газовой фазы:
- Преимущества: Покрытия, безусловно, более тонкие, но при этом очень прочные и вязкие (TiN, TiAlN, TiSiN, AlCrN). Сам процесс ведётся при более низких температурах (400-600°C), что даёт сохранение прочности базового материала. Идеально они подходят для прерывистого резания, обработки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов, где критична прочность кромки. Меньше они склонны к наростообразованию.
- Недостатки: Меньшая толщина по сравнению с CVD, что, вероятно, может означать более низкую общую износостойкость при постоянном абразивном износе.
- Примеры: Kennametal KCU25, Iscar IC807.
- DLC (Diamond-Like Carbon) – Алмазоподобные покрытия:
- Преимущества: Им присущ чрезвычайно низкий коэффициент трения, а также высокая твёрдость. Идеально они подходят для обработки алюминия, меди и прочих цветных металлов, где проблема нароста, безусловно, стоит очень остро. Они успешно предотвращают адгезию.
- Недостатки: Они не выдерживают высоких температур (распадаются при >350°C), поэтому не подходят для обработки стали на высоких режимах.
Запомните следующее: универсального материала или покрытия не существует. Подбор всегда нужно вести под конкретно поставленную задачу. И не бойтесь, конечно, экспериментировать, но всегда в разумных границах и с поддержкой технолога-инструментальщика.
Принципы подбора инструмента с учётом факторов износа
Выбрать такой инструмент, который сможет функционировать стабильно и долго – это, безусловно, целое мастерство, основанное как на научных данных, так и на личном опыте. Сколько же раз мною наблюдалось, как приобретаются "универсальные" пластины, а затем, естественно, возникает удивление, почему они, по сути, нигде толком не работают. У меня был такой случай: на токарном станке обрабатывались детали из стали 45, затем из 12Х18Н10Т, а потом из ВТ1-0. И каждый раз предпринималась попытка использовать одну и ту же марку пластин Sandvik Coromant. Естественно, для 45-й стали она ещё как-то функционировала, но на нержавейке начинался ужасный нарост, а на титане – сильная адгезия и быстрый отрыв. Пришлось мне объяснять, что концепция "универсальности" в сфере инструмента – это всего лишь миф. Для каждого материала и специфики обработки, безусловно, создаётся свой уникальный инструмент.
Чтобы избежать подобных ошибок, нужно, конечно, учитывать несколько ключевых аспектов:
1. Материал заготовки
Это, пожалуй, наиболее значимый фактор. От него напрямую зависит, какой именно износ окажется преобладающим.
- Стали (конструкционные, легированные): Здесь преобладают VB, кратерный износ, иногда также выкрашивание. Нужны твёрдые сплавы с покрытиями CVD (для черновой/получистовой обработки) или PVD (для чистовой работы, прерывистого резания), обладающие хорошей стойкостью к высоким температурам.
- Нержавеющие стали: Для них характерны нарост, адгезия, кратерный износ, выкрашивание. Нужны вязкие сплавы с PVD-покрытиями (TiAlN, AlCrN), положительной геометрией, эффективным стружколомом.
- Чугуны (серые, высокопрочные): Здесь, главным образом, ведёт себя абразивный износ, а также выкрашивание. Нужны твёрдые сплавы с повышенным содержанием твёрдых фаз, CVD-покрытиями (TiCN, Al2O3), более прочными геометриями.
- Жаропрочные сплавы (Inconel, Hastelloy): Наблюдаются пластическая деформация, адгезия, интенсивный износ по задней поверхности. Требуют специальных сплавов (допустим, созданные на основе SiAlON-керамики, или твёрдые сплавы с очень высокой горячей твёрдостью), низких скоростей, обильной подачи СОЖ.
- Алюминий, цветные металлы: Здесь преобладают нарост, адгезия, вырывы материала. Нужны полированные кромки, DLC-покрытия, очень острые геометрии с большим положительным передним углом.
- Закалённые стали (>50 HRC): Отмечаются абразивный износ, выкрашивание, пластическая деформация. Требуют применения КНБ, керамики или специальных твёрдых сплавов с высокой твёрдостью и термостойкостью.
2. Разновидность обработки (точение, фрезерование, сверление)
- При точении:
- Непрерывное: При выполнении чистового точения, где отсутствуют ударные воздействия, можно задействовать более хрупкие, но при этом износостойкие материалы (керметы, CVD-покрытия).
- Прерывистое: При работе, связанной с прерывистым резанием (например, поковка с окалиной, прерывистая поверхность) – выбирайте, естественно, более вязкие сплавы, PVD-покрытия, прочные геометрии, чтобы предотвратить выкрашивание.
- При фрезеровании: Это, несомненно, всегда прерывистое резание, где каждый зуб постоянно входит в контакт и выходит из него.
- Здесь отмечаются высокие динамические нагрузки, термические удары. PVD-покрытия, вязкие сплавы, прочные геометрии, эффективное охлаждение (или сухое резание, чтобы предотвратить термошок).
- Для выполнения торцевого фрезерования чугуна: прочные пластины, оснащённые CVD-покрытием.
- Для выполнения фрезерования пазов в нержавеющей стали: PVD-покрытие, острая режущая кромка.
- При сверлении:
- Присутствуют особые условия: затруднённый отвод стружки, высокие температуры непосредственно в центре сверла. Критична прочность кромки и хорошо спроектированные канавки для эффективного отвода стружки. Часто задействуются PVD-покрытия (TiAlN) для дачи лучшей термостойкости и лёгкого скольжения стружки.
- Для выполнения глубоких отверстий: нужны специальные геометрии канавок, внутренний подвод СОЖ.
3. Требуемая точность и параметр шероховатости
- Черновая обработка: Допускается, безусловно, больший износ, можно задействовать более грубые режимы, пластины, оснащённые прочными, но не обязательно очень острыми кромками, CVD-покрытия. Допуск на размеры способен составлять ±0.1 мм.
- Получистовая обработка: Здесь требуется умеренная износостойкость и адекватное качество поверхности. Износ VB до 0.3-0.4 мм. Допуск ±0.05 мм.
- Чистовая обработка: Критична высокая точность и низкая шероховатость. Износ VB должен быть минимальным (до 0.15-0.2 мм), чтобы не повлиять на размер и показатель Rz. Здесь задействуются керметы, КНБ или твёрдые сплавы с PVD-покрытиями и острыми геометриями, малым радиусом при вершине. Допуск ±0.015 мм по IT7.
4. Жёсткость системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь)
Если станок "уставший", имеются люфты, вибрации, или деталь недостаточно надёжно закреплена – никакой, даже самый лучший инструмент, увы, не спасёт от выкрашивания. Выбирайте, безусловно, более вязкие сплавы и прочные геометрии, даже если это несколько снизит производительность. Увеличьте радиус при вершине пластины – это, конечно, укрепит режущую кромку.
5. Затраты на инструмент и экономическая эффективность
Самый дорогостоящий инструмент не всегда, естественно, даёт себя как наилучший. Иногда возможно достижение хорошей стойкости и на более бюджетном инструменте, лишь правильно подобрав режимы. Но в определённых случаях, если деталь имеет очень высокую стоимость, или брак совершенно недопустим, имеет смысл, безусловно, инвестировать в дорогостоящий КНБ, чтобы получить стабильный результат. Считайте не цену за один элемент, а общую стоимость одной обработанной детали. Например, пластина стоимостью 2000 рублей, которая обрабатывает 100 деталей, оказывается выгоднее, чем пластина за 500 рублей, способная обработать всего 5 деталей.
Практический совет: Всегда начинайте, безусловно, с глубокого анализа материала обрабатываемой заготовки. Затем определитесь с видом обработки и требованиями к качеству. И только после этого приступайте к выбору конкретной марки инструмента и его геометрии. Не забывайте о регулярных консультациях с поставщиками инструмента – они, обычно, обладают обширным опытом и способны предложить оптимальные решения. И ведите, конечно, статистику стойкости – это наиболее надёжный показатель того, что функционирует эффективно, а что, увы, нет.
Базовые данные и государственные стандарты по инструментальному износу
В моей работе, особенно когда возникают разногласия с ОТК или требуется аргументировать выбор инструмента, без применения ГОСТов и справочной информации, безусловно, никуда. Это не просто бюрократические формальности, это, по сути, стандартизация, которая даёт нам возможность общаться на одном, понятном языке. Особенно они полезны для определения чётких критериев замены инструмента, чтобы не получалось так, что один оператор меняет пластину после обработки 5 деталей, а другой продолжает работать на 50, пока деталь не окажется бракованной.
Основные государственные стандарты и нормативы, касающиеся инструментального износа:
- ГОСТ 25776-83 "Инструменты режущие. Термины и определения износа": Это, безусловно, основополагающий документ, который устанавливает основные виды износа, их буквенные обозначения (VB, VC, VT, KB и т.д.) и методики измерения. Несмотря на его давность, основные принципы остаются актуальными. Согласно этому ГОСТу, VB обозначает ширину фаски износа на задней поверхности, VC – глубину кратера на передней, VT – длину кратера.
- ISO 3685:1993 "Tools for machining – Life testing – General rules": Международный стандарт, который детально описывает общие правила для проведения испытаний режущего инструмента на показатель стойкости. Он даёт методики для определения стойкости инструмента и чётких критериев его отказа.
- ISO 8688-1:1986 "Tool life testing with single-point turning tools – Part 1: Turning of steel": Стандарт, специально посвящённый испытаниям токарного инструмента при обработке сталей. Он устанавливает конкретные критерии износа для токарных пластин, такие как максимальная ширина износа по задней поверхности (VBmax) или глубина кратера (KTmax).
- ГОСТ 18097-93 "Инструменты режущие. Методы испытаний на стойкость": Российский аналог международных стандартов, детально описывающий методы испытаний различных разновидностей режущего инструмента.
Практические критерии для замены инструмента (основанные на ГОСТах и опыте):
- Ширина износа по задней поверхности (VB):
- При чистовой обработке: VB = 0.15 - 0.25 мм. При превышении этого значения допуск по размерам, безусловно, может быть нарушен, а параметр шероховатости увеличится. Например, для точения отверстий с допуском IT7, если VB превысит 0.2 мм, почти гарантированно будет зафиксирован "плюс" по диаметру.
- При получистовой обработке: VB = 0.3 - 0.4 мм. Здесь уже не так критично для точности, но силы резания увеличиваются, и, естественно, риск выкрашивания значительно возрастает.
- При черновой обработке: VB = 0.5 - 0.7 мм. Можно вести работу дольше, но внимательно следует следить за стабильностью процесса и мощностью станка.
- Глубина кратера (KT): Кратер, обычно, становится критичным, когда его глубина достигает 0.15-0.2 мм или когда он подходит слишком близко к режущей кромке (на 0.05-0.1 мм), что, очевидно, ослабляет её и ведёт к выкрашиванию.
- Выкрашивание: Даже незначительное выкрашивание на чистовой кромке – это, безусловно, повод для её немедленной замены. На черновой обработке – иногда можно продолжать работу, если выкрашивание не превышает 0.5-1 мм и не оказывает влияния на стабильность всего процесса.
- Пластическая деформация: Любое видимое изменение геометрии режущей кромки – это, безусловно, сигнал к немедленной замене.
- Звучание и вибрация: Изменение привычного звука (появление свиста, скрежета, дребезжания) и усиление вибрации – это, естественно, первые тревожные сигналы. Опытный оператор часто производит замену инструмента "по звуку", не дожидаясь визуальных подтверждений.
- Качество поверхности: Появление рисок, задиров, увеличение шероховатости – это, безусловно, однозначный признак износа. Если требуемая шероховатость Rz должна быть 3.2, а вы замечаете, что она стала 6.3 – пора, конечно, производить замену.
Практический совет: Разработайте, безусловно, внутренние стандарты для каждой выполняемой операции. Внесите в маршрутную карту чёткие указания, при какой ширине VB или иных признаках износа нужно производить замену инструмента. Обеспечьте операторов необходимыми средствами контроля – например, лупами с подсветкой, иногда портативными микроскопами. Проведите их обучение по диагностике. Это, несомненно, позволит сэкономить значительные суммы денег и избежит лишних нервов.
Сравнительный обзор видов износа для различных инструментов
Представленная таблица – это, безусловно, результат моего личного опыта, который был накоплен годами. Естественно, она не претендует на строго научную точность, но даёт общее представление о том, какой тип износа чаще всего доминирует для различных материалов и какие марки инструментов Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar, Mitsubishi, Walter, Dormer Pramet я бы рекомендовал к рассмотрению прежде всего. Это не означает, что другие варианты не подойдут, просто данные марки проверены мною лично.