Крихке руйнування леза є результатом поступового розвитку й нагромадження мікротріщин, які зі збільшенням зовнішнього навантаження зливаються в макротріщину. Процес зародження й розвитку тріщин відбувається в часі, тобто залежить від тривалості прикладення навантаження. Зустрічаються два види крихкого руйнування леза: викришування різальних кромок і відколи (сколювання) різальної частини (леза) (рис. 1.2).
Викришування – це відділення відносно малих частинок (до 1 мм і трохи більше) різальної кромки (рис. 1.2а), найчастіше пов'язане з недостатньою для прикладених навантажень площиною перерізу леза, яка визначається кутом загострення b; з поверхневими дефектами і неоднорідністю структури інструментульного матеріалу, залишковими напруженнями й ін. Викришування також може бути пов'язане зі зміною напруженого стану в перехідних процесах різання - при вході інструменту у контакт або його виході з контакту зі зрізуваним шаром. Частковим випадком викришування є «обсипальність» різальної кромки. Під обсипальністю різальної кромки розуміють часткове або суцільне руйнування її ділянок розмірами не більше 0,3 мм.
Викришування відіграє незначну роль у зношуванні інструментів, виготовлених з легованих і швидкорізальних інструментульних сталей, і має велике значення в сумарному зношуванні твердосплавних інструментів.
Сколювання (відколи) – це відділення порівняно великих об'ємів інструментульного матеріалу, які можуть навіть перевищувати об'єм леза в межах контакту передньої поверхні зі стружкою (рис. 1.2б).
Сколювання залежить від видів оброблюваного і інструментульного матеріалів, форми та геометрії різального леза, діючих на лезо питомих навантажень (тиску), тобто величини напружень, що формуються в різальному клині (лезі), які, головним чином, визначаються кутом загострення b, переднім g і заднім a кутами та головним кутом у плані j, тому що саме ці кути визначають як розміри перерізу різального клина (b, g, a), так і тиск стружки на передню поверхню (g, j). З режимів різання найбільший вплив на сколювання має товщина зрізу а і, у значно меншій мірі, ширина зрізу b. Швидкість різання може впливати на цей вид крихкого руйнування, як правило, через зміну динамічного стану технологічної системи, наприклад, при виникненні вібрацій.
Встановлено, що зі зменшенням кута загострення, наприклад, при збільшенні заднього кута a зменшується (незалежно від властивостей оброблюваного матеріалу) гранична (допустима) товщина зрізу агр, при якій настає сколювання (рис. 1.3), що пояснюється зростанням напружень у різальному клині за рахунок зменшення площі його перерізу.
Рисунок 1.3 - Вплив кута загострення на граничну товщину зрізу при обробці різних оброблюваних матеріалів різцями із ВК8 (V = 0,026 м/с):
1 - 110Г13Л; 2 - ХН60Т;
3 - 12Х18Н10Т; 4 - ШХ15
Зі збільшенням переднього кута g при
b = const (при одночасному зменшенні заднього кута a, наприклад, шляхом повороту різального клина) величина граничної товщини зрізу збільшується. Це пояснюється тим, що при незмінній міцності леза зі збільшенням переднього кута сили різання, а відповідно й напруження в різальному клині зменшуються. Збільшення головного кута в плані j викликає зменшення граничних товщин зрізу, що пов'язане зі збільшенням тиску стружки на передню поверхню, а отже, й напружень у різальній частині.
Оскільки напруження, що виникають у різальному клині, залежать від опору оброблюваного матеріалу пластичної деформації при різанні, тобто рівня дотичних напружень по умовній площині зсуву tф, то підвищення tф викликає зниження агр.
Як характеристика опору крихкому руйнуванню інструментульного матеріалу може служити межа його міцності при одноосьовому розтягуванні sв. При збільшенні sв граничні товщини зрізу зростають і, навпаки, зі зменшенням sв вони зменшуються. Зменшення граничних товщин зрізу залежно від марки інструментульного матеріалу має місце в такому порядку: швидкорізальна сталь, тверді сплави груп ВК і ТТК, далі група ТК і різальна кераміка.
Таким чином, основними факторами, що визначають сколювання, є: властивості оброблюваного й інструментульного матеріалів, форма і геометрія різального клина, товщина зрізу.
Поняття граничної товщини зрізу уточнюють із урахуванням фактора часу, тому що процес розвитку тріщин у різальній частині інструменту залежить і від часу різання (руйнування від утомленості).
а) б)
в)Рисунок 1.4 - Лінії ізохорм біля різальної кромки залежно від переднього кута g і товщини зрізу а
Характер розподілу стискаючих і розтягувальних напружень у різальному лезі одержують поляризаційно-оптичним методом. У різальній частині можуть бути області як розтягувальних (+) і стискуючих (-) напружень (рис. 1.4а,б), так і тільки стискуючих напружень (рис. 1.4в). При цьому зона розтягувальних напружень починається наприкінці контакту стружки з передньою поверхнею.
Значний вплив на характер напруженого стану роблять також і форма передньої поверхні, і значення переднього кута. Зі зменшенням переднього кута зона стиску збільшується, а зона розтягування звужується або зовсім зникає (рис. 1.4в). Дослідження напруженого стану показало, що найбільш напружена ділянка в зоні розтягування («небезпечні точки», у яких найбільше ймовірно почнеться раптове руйнування, – відкол) розташована на передній поверхні інструменту на відстані, що дорівнює (2-2,5)с, де с - довжина контакту стружки з передньою поверхнею інструменту (рис. 1.4б). Сколювання різальної частини інструменту відбувається в той момент, коли розтягувальні напруження в небезпечній зоні досягають межі міцності інструментульного матеріалу sв. Утворюється мікротріщина, яка, розвиваючись, перетворюється в макротріщину, і в результаті відбувається відкол.
800 - 1400 МПа; для жароміцних сплавів на нікелевій основі 1600-2200 МПа і т.д. З огляду на те, що межі міцності на стиск твердих сплавів і швидкорізальної сталі перебувають у межах
s-в= 3500-4500 МПа, ймовірно, що вони не повинні крихко руйнуватися під дією стискуючих напружень при обробці зазначених матеріалів. Інструменти з різальної кераміки та СТМ при різанні твердих матеріалів можуть піддаватися крихкому руйнуванню під дією стискуючих напружень, тому що для цих інструментульних матеріалів s-в ? 2000 МПа.
Рисунок 1.5 - Схема переривчастого різання
Експериментально встановлена приблизно лінійна залежність між межею міцності на розтягування sв інструментульного матеріалу й граничною товщиною зрізу агр, при якій відбувається руйнування різальної частини інструменту. Якщо sв для швидкорізальної сталі становить 1800-2000 МПа, для твердих сплавів - 500-800 МПа, для різальної кераміки - 150-200 МПа і для алмазу - 100-150 МПа, то за інших рівних умов величина агр для швидкорізального інструменту буде в 3 рази більшою, ніж для твердих сплавів, в 8-10 разів більшою, ніж для різальної кераміки, і в 15-20 разів більшою, ніж для алмазу. Тому інструменти з алмазу і різальної кераміки застосовують лише для чистових операцій, коли товщини зрізів відносно малі і у різальній частині інструменту переважно діють напруження стиснення.
Характер навантаження леза – безперервне (наприклад, точіння) або переривчасте (наприклад, фрезерування) різання – також впливає на величину граничної товщини зрізу. При переривчастому різанні гранична товщина зрізу в 1,5 раза менша, ніж при безперервному. Однією з основних причин передчасного руйнування леза при переривчастому різанні (рис. 1.5) є різка зміна навантаження (удар) на лезо інструменту як у момент входження леза (від 0 при холостому ході до max при робочому), так і в момент його виходу із зони різання (від max при робочому ході до 0 при холостому).
Характер навантаження леза інструменту при переривчастому (нерівномірному) різанні, а отже, і умови періодично повторюваних навантажень і розгрузок його контактних поверхонь залежать не тільки від режиму різання й числових значень геометричних параметрів леза, але значною мірою й від знаків кутів переднього g і нахилу різальної кромки l (рис. 1.6), що визначають разом із формою і розташуванням поверхонь входу Пвх і виходу Пвих шлях різання за час робочого ходу.
а) б) в)
г) д) е)
Рисунок 1.6 - Початок контакту леза інструменту зі зрізуваним шаром залежно від кутів нахилу різальної кромки l (а,б,в) і переднього g (г,д,е)
Залежно від знаків цих кутів контакт леза зі зрізуваним шаром з тими самими параметрами (товщиною зрізу a і глибиною різання t) може починатися у вершині при l<0 (а), у будь-якій точці різальної кромки на деякій відстані від неї при l>0 і g>0 (б,г) або у будь-якій точці передньої поверхні при g<0 (д). Контакт може бути лінійним при ?=0 і g?0 або при ??0 і g=0 (в,е) і поверхневим при ?=0 і g=0.
Шлях різання, а відповідно і час робочого ходу у головному русі різання Dr істотно залежать від значень l і g. Для визначення характеристик (шляхів і часу) періодів робочого ходу інструменту - врізання, основного різання та виходу - розглянемо поздовжнє точіння переривчастої поверхні з постійним діаметром із плоскими граничними поверхнями виступів Пвх і Пвих (див. рис. 1.5) лезом із прямолінійними різальними кромками й плоскою передньою поверхнею.
При l?0 (g?0) дійсний шлях різання hд збільшується в порівнянні з номінальним H (основне різання) на величину врізання Dвх і виходу леза з контакту зі зрізуваним шаром Dвих (рис. 1.7):
hд= H + Dвх + Dвих .
При l = 0 і g = 0 дійсний шлях різання
hд = H .
Рисунок 1.7 - До визначення шляху (часу) частини циклу «різання»
(робочий хід) при
g?0 і ??0
Тривалість контакту леза з виступом, а отже, і час прикладання навантаження визначаються як сумарний час різання за робочий хід, що містить у собі періоди: врізання, основного різання й виходу.
Період врізання () – відрізок часу від моменту торкання леза зі зрізуваним шаром (зрізом) до моменту, що відповідає кінцю зміни (збільшення) площі контакту.
Період основного різання ( ) – відрізок часу, що характеризується сталістю площі контакту.
Період виходу ( ) – відрізок часу від моменту початку зменшення площі контакту до моменту виходу леза з контакту зі зрізуваним шаром.
Сумарний час різання ( ) – загальний час контакту леза інструменту з виступом за робочий хід:
= + + .
Для розуміння про види початку й кінця контактів леза інструменту зі зрізуваним шаром залежно від співвідношення між кутами g і l розглянемо дійсний переріз зрізу, що являє собою чотирикутник (рис. 1.8). Точка - вершина; точка - точка перетину головної різальної кромки (ГРК) К і зовнішньої утворюючої (оброблюваної) поверхні заготовки наприкінці циклу головного руху різання; точка - точка перетину ГРК і зовнішньої утворюючої поверхні заготовки на початку циклу головного руху різання; точка - точка перетину допоміжної різальної кромки (ВРК) К' з поверхнею різання на початку циклу головного руху різання.
Рисунок 1.8 - Переріз зрізуваного шару
Бічні сторони цього чотирикутника є слідами граней чотиригранників зрізу (рис. 1.9). Очевидно, що їхній вигляд, положення і відповідно форма перерізу зрізу залежать:
- від кута j і ; - від кута j1 і ; - від кута j і ; - від форми оброблюваної поверхні заготовки і .
У розглянутому випадку зона контакту являє собою чотирикутник A?B?C?D?, точки A?, B?, C?, D? якого належать передній поверхні, а точки A, B, C, D є їхніми проекціями на
(рис. 1.9), тобто переріз зрізу є проекцією зони контакту на основну площину.
а) б) в) г)
д) е) ж)
Рисунок 1.9 - Вид початку контакту леза інструменту зі зрізуваним шаром залежно від співвідношення між кутами g і l (j=90о, j1=0о)
Ударні навантаження при врізанні інструменту в момент зустрічі точок передньої поверхні з поверхнею входу Пвх (див. рис. 1.5) є однією з основних причин руйнування леза інструменту в умовах переривчастого або нерівномірного різання. Вигляд зони контакту в момент врізання (входу) значною мірою визначає рівень і характер діючих на лезо динамічних навантажень, а отже, і ймовірність руйнування різального клина, наприклад, при точковому початку контакту різальної кромки зі зрізуваним шаром у вершині леза (т. А на рис. 1.9 ж), і ймовірність її руйнування значно вищі, ніж при розташуванні точки контакту на деякій відстані від вершини (т. В на рис. 1.9 г).
Зростання ймовірності раптового руйнування леза в момент його входу в зрізуваний шар залежно від виду контакту можна розташувати в такій послідовності: точковий (рис. 1.9 г, д, е, ж), лінійний (рис. 1.9 б, в), плоский(рис. 1.9 а).
Однією з істотних причин раптового руйнування леза інструменту при переривчастому різанні, крім ударних навантажень у момент врізання (входу), є ударні навантаження в момент виходу інструменту з контактуючої з ним ділянки зрізуваного шару.
У момент виходу інструменту з контакту зі зрізуваним шаром може виникати тріщина 1 (при обробці крихких матеріалів) (рис. 1.10) або тонка перемичка (при обробці пластичних матеріалів), яка у подальшому сформує «задирку», і частина зрізуваного шару, що залишається перед лезом у певний час, миттєво відривається від оброблюваної заготовки.
Рисунок 1.10 - Відрив зрізуваного шару у момент виходу леза із зони різання при струганні
У момент відриву цієї частини стружкоутворення, а отже, і дія (тиск) стружки на передню поверхню припиняються. Однак дія на лезо інструменту з боку задньої поверхні ще триває в результаті пружного відновлення елементів технологічної системи, у т.ч. і за рахунок пружного відновлення поверхонь на заготовці (рис. 1.11), тобто в цей момент різальна кромка піддається однобічному консольному навантаженню з боку задньої поверхні і перестає перебувати в стані всебічного стиску. Це обумовлено тим, що при виході інструменту із зони різання система «верстат - інструмент – заготовка», «стиснута» зусиллями різання, відновлює свій початковий стан, тобто має місце пружного повернення заготовки (інструменту) як у напрямку, зворотному головному руху різання («розкручування» системи), так і пружного відновлення в радіальному напрямку, у т.ч. поверхонь на ній (різання й обробленої). У результаті відбувається зворотний удар у зонах, що прилягають до різальних кромок (головної й допоміжної), з боку задніх поверхонь, що призводить або до механічного руйнування леза, або до утворення мікро- і субмікротріщин, що сприяють інтенсивному його руйнуванню.
Рисунок 1.11 - Схема виходу леза із зони різання
Зворотний удар є однією з головних причин раптової відмови інструменту, особливо при переривчастій (нерівномірній) обробці деталей з важкооброблюваних матеріалів з малими модулями пружності, тобто здатних до пружно-пластичної післядії.
Розглянемо умови взаємодії леза із заготовкою в момент припинення їхнього контакту при «виході». У момент виходу точки A із зони різання (рис. 1.11) починається процес відновлення системи під дією пружних деформацій, що відповідають навантаженням при сталому різанні й жорсткості елементів системи. При цьому рух точки А буде складним (у напрямку вектора ) у результаті пружного відновлення системи уздовж осей Y і Z зі швидкостями відповідно і .
При поверненні технологічної системи з пружно-пластичного стану у вихідне в напрямку осі Y різальна кромка, переміщаючись по траєкторії головного руху в напрямку осі Z, одночасно під дією пружних деформацій буде переміщатися на величину D і в напрямку вектора швидкості , що буде супроводжуватися зменшенням заднього кута. Таким чином, траєкторія руху точки A на заготовці щодо леза в результуючому русі зі швидкістю VА визначить значення величини aD, на яку зменшується задній кут a:
Отже, дійсний задній кут aф при виході різального клина із зони різання буде дорівнювати aф = a - aD і залежить від співвідношення швидкостей різання й пружного відновлення технологічної системи в напрямку Y.
Залежно від схеми вантаження леза й умов переривчастого (нерівномірного) різання технологічна система з пружно-пластичного стану у вихідне положення може переходити або за експонентним законом (в умовах миттєвого припинення різання), або за затухаючим коливальним законом (в умовах, коли має місце поступове зменшення діючих на лезо навантажень).
де y - поточне значення пружної деформації D у момент часу t від початку виходу леза із зони різання; T - стала часу експоненти, що характеризує крутість траєкторії точки А в русі пружного відновлення й залежна від жорсткості елементів системи і умов деформування. Вона чисельно дорівнює постійній демпфірування й коливається в межах 10-4 – 10-6 с.
Швидкість пружного відновлення в цьому випадку виразиться формулою
Максимальна швидкість пружного відновлення, при якій має місце найбільша втрата заднього кута, буде при t = 0, тобто в момент початку виходу різального клина із зони оброблення, й дорівнює
У тому випадку, коли технологічна система з деформованого стану у вихідне положення повертається за затухаючим коливальним законом, швидкість пружного відновлення можна характеризувати залежністю
Із залежностей (1.6) і (1.8) видно, що втрата заднього кута значною мірою визначається величинами пружної деформації D на замикаючій ланці технологічної системи, частотою власних коливань системи в радіальному напрямку f і швидкістю різання V.
При більших значеннях величини пружної деформації на замикаючій ланці технологічної системи, малих швидкості різання і значеннях заднього кута a, обраних без урахування його зменшення на величину aD,, дійсний задній кут a0 може стати таким, що дорівнює 0, і навіть мати від’ємне значення (при a<aD). У цьому випадку при виході різального клина із зони різання на задню поверхню леза будуть діяти навантаження, пропорційні пружній деформації й жорсткості системи, що призводить, як правило, до інтенсивного зношування інструменту по задній поверхні і навіть його руйнування, тобто при виборі заднього кута з умови a<aD процес виходу леза з контакту з відповідною ділянкою поверхні на заготовці буде супроводжуватися ударними навантаженнями внаслідок пружного відновлення елементів системи в напрямку, зворотному головному руху різання, зі швидкістю , що сприяє інтенсивному механічному руйнуванню різальної кромки. Руйнуюча дія ударних навантажень з боку задніх поверхонь леза значно підсилюється крутними коливаннями, що, як правило, супроводжують процес різання, особливо при обробці заготовок з важкооброблюваних матеріалів із переривчастими поверхнями або нерівномірним припуском. Саме цим багато в чому пояснюється більш низька стійкість інструментів при переривчастому різанні в порівнянні з безперервним.
Таким чином, небезпечні точки (точки, у яких можуть виникати граничні розтягувальні напруження) у момент виходу леза з контакту зі зрізуваним шаром з'являються вже і на задній поверхні Аa (див. рис. 1.5). А оскільки ширина площадки контакту на задній поверхні la значно менше довжини контакту леза зі стружкою на передній поверхні lg, то напруження миттєво зростають, і ймовірність крихкого руйнування значно збільшується. Саме тому при фрезеруванні завжди (якщо, звичайно, дозволяє технічний стан верстата) рекомендують попутне різання (рис. 1.12, напрям Dr - 2), при якому товщина зрізу поступово змінюється від максимуму при врізанні зуба фрези до поступового зниження до 0 на виході зуба з контакту із заготовкою (рис. 1.13б), на відміну від зустрічного фрезерування, коли товщина зрізу змінюється від 0 при врізанні до максимуму на виході зуба з контакту із заготовкою (рис. 1.13а).
Не менш важливим фактором, що викликає крихке руйнування різального інструменту, є виникаючі в процесі різання термічні напруження sq (див. розд. 1.3.4). Це особливо проявляється при фрезеруванні, яке характеризується термо-циклічними напруженнями, оскільки кожен зуб фрези завжди працює у режимі «різання – відпочинок», що супроводжується, як правило, різкою зміною температурного режиму (від максимальної температури при робочому ході до мінімальної для прийнятих умов оброблення - при холостому ході) і відповідно теплового і напруженого стану різального інструменту.
а)б)Рисунок 1.13 - Зміна товщини зрізу при зустрічному (а) і
попутному (б) фрезеруванні
У загальному випадку напруження, що виникають у різальній частині інструменту, визначаються як сума напружень, що виникають під дією сил різання й температурного поля, а також залишкових напружень, що виникають при виготовленні інструменту, зокрема при напайці та заточенні. Якщо сума цих напружень перевищить межу міцності на розтягування в небезпечних точках, то відбувається крихке руйнування леза.
Викришування великими частинами (відколи), що руйнують різальні леза інструментів у такому ступені, що подальша їхня робота без переточування неможлива або недоцільна, за розмірами і наслідками являє собою не явище зношування, а різновид поломки інструменту.
) – відрізок часу від моменту торкання леза зі зрізуваним шаром (зрізом) до моменту, що відповідає кінцю зміни (збільшення) площі контакту.
) – відрізок часу, що характеризується сталістю площі контакту.
) – відрізок часу від моменту початку зменшення площі контакту до моменту виходу леза з контакту зі зрізуваним шаром.
) – загальний час контакту леза інструменту з виступом за робочий хід:
(рис. 1.8). Точка 
- вершина; точка 
- точка перетину головної різальної кромки (ГРК) К і зовнішньої утворюючої (оброблюваної) поверхні 
заготовки наприкінці циклу головного руху різання; точка 
- точка перетину ГРК і зовнішньої утворюючої поверхні заготовки на початку циклу головного руху різання; точка 
- точка перетину допоміжної різальної кромки (ВРК) К' з поверхнею різання на початку циклу головного руху різання.
- від кута 
; 
- від кута 
; 
- від кута 
б)
в)
г)
е)
ж)
з поверхнею входу Пвх (див. рис. 1.5) є однією з основних причин руйнування леза інструменту в умовах переривчастого або нерівномірного різання. Вигляд зони контакту в момент врізання (входу) значною мірою визначає рівень і характер діючих на лезо динамічних навантажень, а отже, і ймовірність руйнування різального клина, наприклад, при точковому початку контакту різальної кромки зі зрізуваним шаром у вершині леза (т. А на рис. 1.9 ж), і ймовірність її руйнування значно вищі, ніж при розташуванні точки контакту на деякій відстані від вершини (т. В на рис. 1.9 г).
) у результаті пружного відновлення системи уздовж осей Y і Z зі швидкостями відповідно 
і 
.
, що буде супроводжуватися зменшенням заднього кута. Таким чином, траєкторія руху точки A на заготовці щодо леза в результуючому русі зі швидкістю VА визначить значення величини 
. (
, (
. (
. (
. (
. (
, (
, град. (
б)Рисунок