Вплив механічної обробки на стан поверхневого шару заготовки (стр. 2 из 3)

5. При обробці металів, схильних до фазових перетворень, нагрівання зони різання викликає структурні перетворення, пов’язані з об’ємними змінами металу. В цьому випадку у шарах металу зі структурою, що має більший питомий об’єм, розвиваються напруження стискання, а в шарах зі структурою меншого питомого об’єму – залишкові напруження розтягування. Наприклад, перехід аустеніту в мартенсит збільшує об’єм, що призводить до виникнення залишкових напружень стискання. При переході мартенситу в троостит, що має менший об’єм, виникають залишкові напруження розтягування.

Будь-яка з вищезгаданих причин при обробці металів різанням може переважати над іншими. При цьому вона буде визначати величину і характер розподілу залишкових напружень. Проте, якщо всі згадані причини достатньо сильно впливають на властивості поверхневого шару, то кінцевий розподіл залишкових напружень по глибині поверхневого шару набуває надто складного характеру.

Зміна видів і режимів обробки змінює характер напруженого поля в зоні різання і питоме значення теплоти у складі причин, що впливають на створення залишкових напружень. У зв’язку з цим змінюється як величина, так і знак залишкових напружень металу поверхневого шару.

У більшості випадків зміна видів обробки і режимів різання, що призводять до збільшення впливу силового поля і підвищення ступеня пластичної деформації, викликає зростання залишкових напружень стискання і зниження розтягальних напружень за винятком обробки пластичних металів, коли підвищення впливу силового поля може призвести до підсилення розтягальних і зменшенню стискальних напружень.

Зміна режимів різання і умов обробки, що викликають за собою підвищення миттєвої температури нагрівання металу поверхневого шару та підсилення цим впливом теплового фактора (підвищення швидкості різання, збільшення засалювання абразивного круга при шліфуванні, зниження теплопровідності оброблюваного металу і різального інструменту, збільшення тривалості зіткнення окремих ділянок обробленої поверхні з різальним інструментом, що є джерелом нагрівання металу поверхневого шару, погіршення умов охолодження тощо), обумовлює зростання залишкових напружень розтягування чи перетворення стискальних залишкових напружень у розтягальні.

Знак і глибина поширення залишкових напружень, що виникають в результаті фазових перетворень металу поверхневого шару, визначають повнотою протікання фазових перетворень і співвідношенням питомих об’ємів структурних складових суміжних шарів металу поверхневого шару. При цьому дуже велике значення для формування залишкових напружень має хімічний склад металу і його здібність до структурних змін, пластичність, пружність, теплопровідність і температуропровідність та інші механічні та фізичні властивості оброблюваного металу.

Точіння. При точінні залишкові напруження виникають під впливом однієї з вищезгаданих причин або утворюються в результаті одночасної дії всіх чи частини цих причин. Остаточна величина, знак, глибина поширення і характер епюри залишкових напружень поверхневого шару після точіння залежать від ступеня дії кожної з причин, що беруть участь при утворенні залишкових напружень.

Вплив швидкості різання при точінні найчастіше всього проявляється у зміні теплової дії (з підвищенням швидкості різання кількість теплоти, що виділяється в зоні різання, зростає) і в зміні тривалості теплового і силового впливу на метал поверхневого шару з боку інструмента.

При обробці пластичних матеріалів, наприклад сталі, ЭИ437Б (рис. 8, а), коли під дією напруженого поля стружки в металі поверхневого шару виникають залишкові напруження розтягування, підвищення швидкості різання призводить до появи додаткових теплових розтягальних напружень, які збільшують загальну величину залишкових напружень розтягування.

Рис. 8. Вплив швидкості різання на залишкову напругу при точінні

При обробці пластичних матеріалів, які піддаються загартуванню, наприклад, сталі 30ХГС (рис. 8, б), збільшення кількості теплоти в зоні різання, пов’язане з підвищенням швидкості різання, може призвести до загартування металу поверхневого шару, повнота протікання якого зростає зі збільшенням температури нагрівання, а отже, і швидкості різання. Збільшення питомого об’єму металу поверхневого шару при його загартуванні призводить до зниження залишкових напружень розтягування, що формуються при малих швидкостях різання, і перетворення їх в напруження стискання при обробці на великих швидкостях.

При обробці мало пластичних металів різанням із створенням елементної стружки, при якій формуються залишкові напруження стискання, підвищення швидкості різання може викликати появу додаткових теплових залишкових напружень розтягування, які призводять до зменшення стискальних і навіть до створення розтягальних напружень.

При точінні загартованих металів збільшення нагрівання поверхневого шару, пов’язане зі зростанням швидкості різання, може викликати відпущення металу і зменшення його питомого об’єму, що призводить до зниження залишкових напружень стискання, які виникають під впливом напруженого поля передньої поверхні інструмента при малих швидкостях різання (рис. 8, в). В прикладі, наведеному на рис. 8 в, збільшення швидкості різання загартованої сталі 45ХНМФА з 10 до 110 м/хв. супроводжувалося зниженням мікротвердості металу поверхневого шару з 6340 до 5400 МПа.

Збільшення подачі призводить до зростання пластичної деформації металу поверхневого шару, що викликається силовим полем. Тому при обробці пластичних матеріалів, наприклад, жароміцних сталей ЭИ766 (І) і ЭИ37Б (2) (рис. 9, а), у яких під дією напруженого поля стружки утворюються розтягальні залишкові напруження, збільшення подачі супроводжується зростанням залишкових напружень розтягу. Зростання подачі при точінні мало пластичних металів, наприклад, титанового сплаву ВТ6 (рис 9, б), викликає збільшення пластичної деформації, залишкових напружень стискання (3) і глибини їх проникнення в метал поверхневого шару (4).

Рис. 9. Вплив подачі на формування залишкової напруги при точінні

При обробці мало пластичних загартованих металів, наприклад, сталей 30ХГСНА (5) і 30ХГСА (6) (рис. 9, в), збільшення подачі призводить до значного підвищення температури в зоні різання, що може викликати появу теплових розтягальних напружень, які знижують загальну величину залишкових напружень стискання у поверхневому шарі.

Зі зменшенням позитивного переднього кута + γ і збільшенням від’ємного кута – γ підвищуються пластична деформація металу поверхневого шару і його питомий об’єм, що супроводжується зростанням залишкових напружень стискання. При точінні пластичних металів залишкові напруження розтягування знижуються, а при точінні мало пластичних металів залишкові напруження стискання зростають.

Зі збільшенням зношування різального інструмента зростають тертя його задньої поверхні об оброблювану поверхню заготовки і радіус заокруглення різальної кромки, що призводить до збільшення пластичної деформації металу поверхневого шару і глибини її поширення. У зв’язку з цим при обробці пластичних металів із затупленням різального інструмента зростають залишкові напруження розтягування і глибина їх поширення.

Затуплення інструмента, що обробляє мало пластичні метали, призводить до збільшення стискальних залишкових напружень і глибини їх проникнення у поверхневий шар.

Шліфування. Процес шліфування відбувається при незвичайно великих напруженнях, які виникають у тонкому шарі металу і стружці, що знімається при обробці з високою швидкістю різання (яка у десятки разів перевищує швидкість різання металевими і твердосплавними інструментами), і при високій температурі в зоні різання, яка іноді наближається до температури плавлення оброблюваного металу.

В цих умовах кожна із згаданих раніше причин виникнення залишкових напружень поверхневого шару може переважати над іншими, і тоді характер розподілу, знак і величина залишкових напружень поверхневого шару після шліфування будуть в основному залежати від цієї причини.

Зміна умов шліфування, яка веде за собою підвищення температури металу поверхневого шару (погіршення охолодження, зменшення теплопровідності оброблюваного матеріалу, збільшення частоти обертання круга, затуплення, засалювання круга, підвищення його твердості, збільшення глибини шліфування і подачі, зниження швидкості обертання заготовки), призводить до зростання залишкових напружень розтягування або зниження залишкових напружень стискання. І навпаки, зниження нагрівання зони шліфування і підсилення силової дії абразивних зерен, що викликає пластичну деформацію металу поверхневого шару (збільшення глибини і подачі шліфування при хорошому відведенні теплоти, використання м’яких і алмазних кругів з хорошим тепловідведенням, зростання частоти обертання заготовки і зниження швидкості обертання круга, застосування виходжування), сприяє зменшенню теплових розтягальних і збільшенню стискальних залишкових напружень.

Необхідно відмітити, що при шліфуванні металів, схильних до фазових перетворень, збільшення нагрівання заготовки, що шліфується, може привести до структурних змін, які обумовлюють появу залишкових напружень різного знаку і в більшості випадків знижуючим експлуатаційні властивості металу поверхневого шару.

Викінчування. Майже всі викінчувальні процеси проходять при порівняно низьких швидкостях і незначних тисках. Тому нагрівання металу поверхневого шару невелике і не може бути причиною виникнення теплових залишкових напружень.