В статье высказано предположение о том, что износ инструмента при лезвийной обработке биоинженерных термопластичных полимеров происходит за счет образования площадки износа и локального увеличения радиуса округления главной режущей кромки. Рассмотрена гипотеза протекания износа как хрупкого микроразрушения инструментального материала под воздействием адсорбционно-адгезионных факторов и факторов механического взаимодействия с обрабатываемым материалом.The article suggested that the edge cutting tool wear during processing of bioengineered thermoplastic polymers is due to the formation of wear and the local area to increase the radius of rounding of the main cutting edge. The hypothesis as the occurrence of brittle microfracture wear of the tool material under the influence of adsorption-adhesion factors and mechanical factors interact with the material being treated

Лавриненко, Сергей Николаевич

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

170 УДК 621.91.01-036  Лавриненко С.Н., д-р техн. наук, Харьков, Украина  ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ  ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ БИОИНЖЕНЕРНЫХ  ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ   У статті висловлено припущення про те, що знос інструменту при обробці лезом біоін-женерних термопластичних полімерів відбувається за рахунок утворення майданчиків зносу і локального збільшення радіусу округлення головної різальної кромки. Розглянута гіпотеза проті-кання зносу як крихкого мікроруйнування інструментального матеріалу під впливом адсорбцій-но-адгезійних факторів і факторів механічної взаємодії з оброблюваним матеріалом.  В статье высказано предположение о том, что износ инструмента при лезвийной обра-ботке биоинженерных термопластичных полимеров происходит за счет образования площадки износа и локального увеличения радиуса округления главной режущей кромки. Рассмотрена ги-потеза протекания износа как хрупкого микроразрушения инструментального материала под воздействием адсорбционно-адгезионных факторов и факторов механического взаимодействия с обрабатываемым материалом.  The article suggested that the edge cutting tool wear during processing of bioengineered ther-moplastic polymers is due to the formation of wear and the local area to increase the radius of rounding of the main cutting edge. The hypothesis as the occurrence of brittle microfracture wear of the tool material under the influence of adsorption-adhesion factors and mechanical factors interact with the material being treated.  При механической обработке биоинженерных термопластичных поли-меров (БИТП) и, в частности, композиций на основе ПС и ПММА износ ре-жущего инструмента в том виде, в котором его принято оценивать при обра-ботке металлов и целого ряда других материалов практически отсутствует. Однако и предположение о том, что инструмент в данном случае будет сколь угодно долго сохранять свои исходные режуще свойства, обеспечивая задан-ное качество поверхности не является правомерным. Таким образом, для оценки износостойкости инструмента при резании БИТП необходимо выра-ботать новые критерии, учитывающие физико-химические аспекты взаимо-действия обрабатываемого и инструментального материалов и позволяющие обеспечивать стабильное высокое качество поверхностного слоя и, следова-тельно, заданный уровень эксплуатационных характеристик готового изде-лия. Следует также отметить, что при высоких скоростях резания (v > 100 м/мин) и больших значений глубины (t > 0,5 мм), а также при обработке без смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) на передних по-верхностях инструмента образуются поверхностные пленки и "налипы", яв-ляющиеся продуктом термической деструкции БИТП в процессе деформации и разрушения обрабатываемого материала при контакте с передней поверхно-171 стью инструмента (cм. рис. 1). "Налипы" полимера приводят к изменению первоначальных геометрических параметров режущего инструмента, ухуд-шают процесс стружкоотделения и сход стружки. При этом прочность адге-зионного контакта полимерной пленки с передней поверхностью инструмента является довольно высокой. Основным эффективным средством, препятст-вующим налипанию полимера на инструмент наряду с применением опти-мальных режимов резания является применение СОТС, имеющих в своем составе химические компоненты, уменьшающие адгезионный контакт обра-батываемого материала с инструментальным [1].    Рисунок 1 – Полимерный слой на передней поверхности режущего инструмента  Продукты механодеструкции полимерных материалов обладают высо-кой адсорбционной активностью и способны изменять исходную структуру и механические свойства контактирующих с ними материалов [2 - 4]. Механи-чески деструктируемые полимеры способны активизировать поверхностное диспергирование твердых тел, выступая в роли поверхностно активного ве-щества (ПАВ). Явление активизации разрушения твердых тел в данном слу-чае соответствует эффекту Ребиндера. Адсорбирующиеся молекулы полиме-ра вызывают снижение поверхностной энергии твердого тела, что способст-вует облегчению его диспергирования [5]. Таким образом, интенсивность износа инструмента, как следствие разрушения инструментального материала в процессе резания, в значительной мере зависит от физико-химических про-цессов, протекающих на контактирующих площадках. При этом в контакт вступают ювенильные поверхности обрабатываемого и инструментального 172 материалов. Под действием высоких контактных давлений и температур идут процессы изменения свойств поверхностных слоев трущейся пары. В зоне контакта в результате деструкции полимера протекают вторичные химиче-ские реакции и образуется тончайшее третье тело, свойства которого опреде-ляются условиями процесса резания [2]. Третье тело представляет собой де-структированный низкомолекулярный продукт, который находится в вязко-текучем состоянии. Представляя собой поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое, мигрируя в микропоры и микротрещины на поверхности ин-струмента, оказывает расклинивающее действие, приводящее к отрыву мик-рочастиц инструментального материала. Учитывая явление адсорбционного снижения прочности инструменталь-ного материала при обработке БИТП, следует отметить, что наряду с исход-ной твердостью инструмента, являющейся наиболее важным фактором при абразивном износе, в данном случае важным является состояние поверхност-ного слоя инструмента, т.е. отсутствие микродефектов и концентраторов на-пряжений в виде рисок, сколов, каверн, пор и т.п., что достигается тщатель-ной доводкой рабочих поверхностей и качественным подбором инструмен-тального материала. Для наиболее полного раскрытия механизма износа режущего инстру-мента кроме физико-химических аспектов адсорбционного износа следует также учитывать фактор усталостного микроразрушения инструментального материала под действием циклических нагрузок в процессе резания, несмотря на низкую твердость обрабатываемого БИТП. Особенно характерно влияние таких нагрузок на износостойкость острозаточенного инструмента из сверх-твердых материалов (СТМ), так как их поликристаллы обладают низкой ударной прочностью, а БИТП – высоким уровнем ударной вязкости. Сочета-ние этих свойств может приводить к микровыкрашиваниям режущей кромки в момент контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. Исходя из этого, инструмент из СТМ целесообразно применять на чистовых операциях фрезерования, когда сечение срезаемого слоя являются наимень-шими, а на обдирочных и черновых операциях применять доведенный инст-румент из быстрорежущей стали или особомелкозернистого твердого сплава. Как показали проведенные исследования, при механической обработке БИТП на основе ПС и ПММА на рабочих поверхностях инструмента отсутст-вуют ярко выраженные следы износа. Износ инструмента происходит за счет локального образования микроплощадок износа, что приводит к косвенному увеличению радиуса округления режущей кромки, как показано на рис. 2. Это справедливо как для быстрорежущей стали и твердого сплава, так и для сверхтвердых материалов. 173  Рисунок 2 – Увеличение радиуса округления режущей кромки инструмента  за счет образования площадки износа  Радиус округления режущих кромок контролировался с помощью моно-хромного профилографа WYKO RST-500. Режущая вставка при помощи трехповоротного штатива располагалась так, чтобы биссектриса угла заост-рения режущего клина совпадала с вертикалью к плоскости установки. Рав-ные значения величины горизонтального и вертикального увеличения позво-ляли получать неискаженную 3D топограмму острия режущего клина. Начальный радиус округления отобранных и доведенных режущих вста-вок находился в пределах: быстрорежущая сталь Р6М5 – ρ = 1 ... 3 мкм;   твердый оплав ВК6ОМ – ρ = 0,9 ... 1,2 мкм; сверхтвердый материал СКМ-Р – ρ = 0,5 ... 0,7 мкм. Большое значение начального радиуса округления инстру-мента из твердого сплава объясняет высокий уровень дефектности и низкое качество обработки при использовании этого материала для механической обработки БИТП. Следует отметить, что увеличение радиуса округления до значений ρ = 1,8…2,5 мкм приводит к резкому росту числа дефектов на обработанной по-174 верхности БИТП. Таким образом, в качестве критерия затупления целесооб-разно применять технологический признак ухудшения качества обработки. При этом для обеспечения стабильности эксплуатационных свойств готовых изделий за счет наименьшей дефектности в соответствии с выбранными кри-териями оценки качества поверхностного слоя величина радиуса округления режущих кромок инструмента не должна превышать значение ρ = 2,5 мкм. Для выполнения вышеизложенного требования инструмент из быстрорежу-щей стали, рекомендуемый к использованию на черновых операциях фрезе-рования должен подвергаться принудительной смене и доводке по истечении 500 ... 600 минут непрерывной работы (или один раз в смену), а инструмент из СKM-P, используемый на чистовых операциях – по результатам визуаль-ного контроля за качеством обработки. Период приработки в развитии износа, характерный для обработки ши-рокого диапазона различных материалов, при обработке БИТП не выражен, что объясняется, видимо, особенностями адгезионно-усталостного характера износа. Выводы: 1. Высказано предположение, что износ инструмента при лезвийной об-работке БИТП происходит за счет образования площадки износа и локально-го увеличения радиуса округления главной режущей кромки.  2. Рассмотрена гипотеза протекания износа как хрупкого микроразруше-ния инструментального материала под воздействием адсорбционно-адгезионных факторов и факторов механического взаимодействия с обраба-тываемым материалом.  3. В качестве критерия затупления режущего инструмента выбран тех-нологический признак – ухудшение качества обработанной поверхности.  Список использованных хисточников: 1. Влияние состава СОТС при лезвийной механической обработке на стабильность эксплуатационных показателей биоинженерных полимерных изделий / Лавриненко С.Н., Лавриненко И.С. // Вісник СевНТУ. Зб. наук. праць, Вип. 129/2012. – С. 114–118.  2. Гороховский Г.А. Поверхностное дисперги-рование динамически контактирующих поли-меров и металлов. К.: Наукова думка, 1972. – 152с. 3. Гороховский Г.А. Полимеры в технологии обработки металлов. – К.: Наукова думка, 1975. – 224 с. 4. Костецкий Б.И. Надежность и долго-вечность машин. – К.: Техніка, 1975. – 404 с. 5. Лихтман В.И., Щукин Б.Д., Ребиндер П.А. Физи-ко-химическая механика металлов. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 302 с.  Поступила в редколлегию 15.06.2012  

Особенности износа режущих инструментов при механической обработке биоинженерных термопластичных полимеров

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

170 
УДК 621.91.01-036 
 
Лавриненко С.Н., д-р техн. наук, Харьков, Украина 
 
ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ  
ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ БИОИНЖЕНЕРНЫХ  
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ  
 
У статті висловлено припущення про те, що знос інструменту при обробці лезом біоін-
женерних термопластичних полімерів відбувається за рахунок утворення майданчиків зносу і 
локального збільшення радіусу округлення головної різальної кромки. Розглянута гіпотеза проті-
кання зносу як крихкого мікроруйнування інструментального матеріалу під впливом адсорбцій-
но-адгезійних факторів і факторів механічної взаємодії з оброблюваним матеріалом. 
 
В статье высказано предположение о том, что износ инструмента при лезвийной обра-
ботке биоинженерных термопластичных полимеров происходит за счет образования площадки 
износа и локального увеличения радиуса округления главной режущей кромки. Рассмотрена ги-
потеза протекания износа как хрупкого микроразрушения инструментального материала под 
воздействием адсорбционно-адгезионных факторов и факторов механического взаимодействия 
с обрабатываемым материалом. 
 
The article suggested that the edge cutting tool wear during processing of bioengineered ther-
moplastic polymers is due to the formation of wear and the local area to increase the radius of rounding 
of the main cutting edge. The hypothesis as the occurrence of brittle microfracture wear of the tool 
material under the influence of adsorption-adhesion factors and mechanical factors interact with the 
material being treated. 
 
При механической обработке биоинженерных термопластичных поли-
меров (БИТП) и, в частности, композиций на основе ПС и ПММА износ ре-
жущего инструмента в том виде, в котором его принято оценивать при обра-
ботке металлов и целого ряда других материалов практически отсутствует. 
Однако и предположение о том, что инструмент в данном случае будет сколь 
угодно долго сохранять свои исходные режуще свойства, обеспечивая задан-
ное качество поверхности не является правомерным. Таким образом, для 
оценки износостойкости инструмента при резании БИТП необходимо выра-
ботать новые критерии, учитывающие физико-химические аспекты взаимо-
действия обрабатываемого и инструментального материалов и позволяющие 
обеспечивать стабильное высокое качество поверхностного слоя и, следова-
тельно, заданный уровень эксплуатационных характеристик готового изде-
лия. 
Следует также отметить, что при высоких скоростях резания (v > 100 
м/мин) и больших значений глубины (t > 0,5 мм), а также при обработке без 
смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) на передних по-
верхностях инструмента образуются поверхностные пленки и "налипы", яв-
ляющиеся продуктом термической деструкции БИТП в процессе деформации 
и разрушения обрабатываемого материала при контакте с передней поверхно-
171 
стью инструмента (cм. рис. 1). "Налипы" полимера приводят к изменению 
первоначальных геометрических параметров режущего инструмента, ухуд-
шают процесс стружкоотделения и сход стружки. При этом прочность адге-
зионного контакта полимерной пленки с передней поверхностью инструмента 
является довольно высокой. Основным эффективным средством, препятст-
вующим налипанию полимера на инструмент наряду с применением опти-
мальных режимов резания является применение СОТС, имеющих в своем 
составе химические компоненты, уменьшающие адгезионный контакт обра-
батываемого материала с инструментальным [1].  
 
 
Рисунок 1 – Полимерный слой на передней поверхности режущего инструмента 
 
Продукты механодеструкции полимерных материалов обладают высо-
кой адсорбционной активностью и способны изменять исходную структуру и 
механические свойства контактирующих с ними материалов [2 - 4]. Механи-
чески деструктируемые полимеры способны активизировать поверхностное 
диспергирование твердых тел, выступая в роли поверхностно активного ве-
щества (ПАВ). Явление активизации разрушения твердых тел в данном слу-
чае соответствует эффекту Ребиндера. Адсорбирующиеся молекулы полиме-
ра вызывают снижение поверхностной энергии твердого тела, что способст-
вует облегчению его диспергирования [5]. Таким образом, интенсивность 
износа инструмента, как следствие разрушения инструментального материала 
в процессе резания, в значительной мере зависит от физико-химических про-
цессов, протекающих на контактирующих площадках. При этом в контакт 
вступают ювенильные поверхности обрабатываемого и инструментального 
172 
материалов. Под действием высоких контактных давлений и температур идут 
процессы изменения свойств поверхностных слоев трущейся пары. В зоне 
контакта в результате деструкции полимера протекают вторичные химиче-
ские реакции и образуется тончайшее третье тело, свойства которого опреде-
ляются условиями процесса резания [2]. Третье тело представляет собой де-
структированный низкомолекулярный продукт, который находится в вязко-
текучем состоянии. Представляя собой поверхностно-активное вещество 
(ПАВ), которое, мигрируя в микропоры и микротрещины на поверхности ин-
струмента, оказывает расклинивающее действие, приводящее к отрыву мик-
рочастиц инструментального материала. 
Учитывая явление адсорбционного снижения прочности инструменталь-
ного материала при обработке БИТП, следует отметить, что наряду с исход-
ной твердостью инструмента, являющейся наиболее важным фактором при 
абразивном износе, в данном случае важным является состояние поверхност-
ного слоя инструмента, т.е. отсутствие микродефектов и концентраторов на-
пряжений в виде рисок, сколов, каверн, пор и т.п., что достигается тщатель-
ной доводкой рабочих поверхностей и качественным подбором инструмен-
тального материала. 
Для наиболее полного раскрытия механизма износа режущего инстру-
мента кроме физико-химических аспектов адсорбционного износа следует 
также учитывать фактор усталостного микроразрушения инструментального 
материала под действием циклических нагрузок в процессе резания, несмотря 
на низкую твердость обрабатываемого БИТП. Особенно характерно влияние 
таких нагрузок на износостойкость острозаточенного инструмента из сверх-
твердых материалов (СТМ), так как их поликристаллы обладают низкой 
ударной прочностью, а БИТП – высоким уровнем ударной вязкости. Сочета-
ние этих свойств может приводить к микровыкрашиваниям режущей кромки 
в момент контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. 
Исходя из этого, инструмент из СТМ целесообразно применять на чистовых 
операциях фрезерования, когда сечение срезаемого слоя являются наимень-
шими, а на обдирочных и черновых операциях применять доведенный инст-
румент из быстрорежущей стали или особомелкозернистого твердого сплава. 
Как показали проведенные исследования, при механической обработке 
БИТП на основе ПС и ПММА на рабочих поверхностях инструмента отсутст-
вуют ярко выраженные следы износа. Износ инструмента происходит за счет 
локального образования микроплощадок износа, что приводит к косвенному 
увеличению радиуса округления режущей кромки, как показано на рис. 2. Это 
справедливо как для быстрорежущей стали и твердого сплава, так и для 
сверхтвердых материалов. 
173 
 
Рисунок 2 – Увеличение радиуса округления режущей кромки инструмента  
за счет образования площадки износа 
 
Радиус округления режущих кромок контролировался с помощью моно-
хромного профилографа WYKO RST-500. Режущая вставка при помощи 
трехповоротного штатива располагалась так, чтобы биссектриса угла заост-
рения режущего клина совпадала с вертикалью к плоскости установки. Рав-
ные значения величины горизонтального и вертикального увеличения позво-
ляли получать неискаженную 3D топограмму острия режущего клина. 
Начальный радиус округления отобранных и доведенных режущих вста-
вок находился в пределах: быстрорежущая сталь Р6М5 – ρ = 1 ... 3 мкм;   
твердый оплав ВК6ОМ – ρ = 0,9 ... 1,2 мкм; сверхтвердый материал СКМ-Р – 
ρ = 0,5 ... 0,7 мкм. Большое значение начального радиуса округления инстру-
мента из твердого сплава объясняет высокий уровень дефектности и низкое 
качество обработки при использовании этого материала для механической 
обработки БИТП. 
Следует отметить, что увеличение радиуса округления до значений ρ = 
1,8…2,5 мкм приводит к резкому росту числа дефектов на обработанной по-
174 
верхности БИТП. Таким образом, в качестве критерия затупления целесооб-
разно применять технологический признак ухудшения качества обработки. 
При этом для обеспечения стабильности эксплуатационных свойств готовых 
изделий за счет наименьшей дефектности в соответствии с выбранными кри-
териями оценки качества поверхностного слоя величина радиуса округления 
режущих кромок инструмента не должна превышать значение ρ = 2,5 мкм. 
Для выполнения вышеизложенного требования инструмент из быстрорежу-
щей стали, рекомендуемый к использованию на черновых операциях фрезе-
рования должен подвергаться принудительной смене и доводке по истечении 
500 ... 600 минут непрерывной работы (или один раз в смену), а инструмент 
из СKM-P, используемый на чистовых операциях – по результатам визуаль-
ного контроля за качеством обработки. 
Период приработки в развитии износа, характерный для обработки ши-
рокого диапазона различных материалов, при обработке БИТП не выражен, 
что объясняется, видимо, особенностями адгезионно-усталостного характера 
износа. 
Выводы: 
1. Высказано предположение, что износ инструмента при лезвийной об-
работке БИТП происходит за счет образования площадки износа и локально-
го увеличения радиуса округления главной режущей кромки.  
2. Рассмотрена гипотеза протекания износа как хрупкого микроразруше-
ния инструментального материала под воздействием адсорбционно-
адгезионных факторов и факторов механического взаимодействия с обраба-
тываемым материалом.  
3. В качестве критерия затупления режущего инструмента выбран тех-
нологический признак – ухудшение качества обработанной поверхности. 
 
Список использованных хисточников: 1. Влияние состава СОТС при лезвийной механической 
обработке на стабильность эксплуатационных показателей биоинженерных полимерных изделий 
/ Лавриненко С.Н., Лавриненко И.С. // Вісник СевНТУ. Зб. наук. праць, Вип. 129/2012. – С. 114–
118.  2. Гороховский Г.А. Поверхностное дисперги-рование динамически контактирующих поли-
меров и металлов. К.: Наукова думка, 1972. – 152с. 3. Гороховский Г.А. Полимеры в технологии 
обработки металлов. – К.: Наукова думка, 1975. – 224 с. 4. Костецкий Б.И. Надежность и долго-
вечность машин. – К.: Техніка, 1975. – 404 с. 5. Лихтман В.И., Щукин Б.Д., Ребиндер П.А. Физи-
ко-химическая механика металлов. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 302 с. 
 
Поступила в редколлегию 15.06.2012 
 


http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/17761/1/RITS_2012_81_Lavrinenko_Osobennosti.pdf

Особенности износа режущих инструментов при механической обработке биоинженерных термопластичных полимеров

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"