Вплив механічної обробки на стан поверхневого шару заготовки (стр. 1 из 3)

Вплив механічної обробки на стан поверхневого шару заготовки

1. Деформаційне зміцнення (наклеп) металу поверхневого шару

При обробці заготовок різанням під дією прикладених сил в металі поверхневого шару відбувається пластична деформація, яка супроводжується його деформаційним зміцненням (наклепом). Інтенсивність та глибина поширення наклепу зростають зі збільшенням сил і тривалості їх дії та з підвищенням ступеня пластичності деформації металу поверхневого шару.

Одночасно зі зміцненням (під впливом нагрівання зони різання) в металі поверхневого шару відбувається роззміцнення, що повертає метал в його початковий не наклепаний стан. Кінцевий стан металу поверхневого шару визначається співвідношенням швидкостей протікання процесів зміцнення та роззміцнення, яке залежить від переважання дій в зоні різання силового чи теплового фактора.

Ступінь та глибина поширення наклепу змінюються в залежності від виду і режиму механічної обробки і геометрії різального інструменту. Кожна зміна режиму різання, що викликає збільшення сил різання та ступеня пластичної деформації, веде до підвищення ступеня наклепу. Зростання тривалості дії сил різання на метал поверхневого шару призводить до збільшення глибини поширення наклепу. Зміна режимів обробки, що веде до зростання кількості теплоти в зоні різання та тривалості теплової дії інструмента на метал зони різання, підсилює інтенсивність роззміцненя, що знімає наклеп поверхневого шару.

З цих загальних позицій може бути оцінений вплив режимів різання на наклеп поверхневого шару, проте на практиці картина значно ускладнюється впливом сил тертя, зміною умов відведення теплоти із зони різання, структурними змінами металу і деякими іншими явищами, які важко піддаються попередньому врахуванню та спотворюють очікувані закономірності виникнення наклепу.

В процесі обробки точінням наклеп поверхневого шару підвищується при збільшенні подачі та глибини різання у зв’язку зі збільшенням радіуса заокруглення різального леза (рис. 1) і при переході від позитивних передніх кутів різця до від’ємних (рис. 2). У всіх вказаних випадках збільшення наклепу пов’язане з підсиленням ступеня пластичної деформації у зв’язку зі зростанням сил різання.

Рис. 1. Вплив подачі Sта радіуса rзаокруглення вершини різця на мікротвердість Н обточеної поверхні

наклеп деформація заготовка механічний

Рис. 2. Вплив переднього кута γ різця на мікротвердість Н та глибину наклепу h

Вплив швидкості різання найчастіше проявляється через зміну теплової дії та тривалості дії сил і нагрівання металу поверхневого шару. Для металів, які не зазнають при різанні структурних змін, при підвищенні швидкості різання потрібно очікувати зниження наклепу (рис. 3) внаслідок скорочення тривалості діяння деформуючих сил на метал, що повинно призвести до зменшення глибини наклепу, а також в результаті інтенсифікації тертя та виділення теплоти в зоні різання, що прискорює процес розміцнення.

В процесі обробки сталей, які зазнають структурних зміни (наприклад, марки У10) при збільшенні швидкості різання, зростання теплоти може викликати поверхневе загартування оброблюваної заготовки, що обумовить підвищення мікротвердості металу поверхневого шару (рис. 4), проте в цьому випадку зміцнення поверхневого шару буде пов’язане не з наклепом металу, а з його структурними змінами.

Рис. 3. Вплив швидкості різання на зміцнення сталей, що структурно не змінюються, під час точіння (а) та фрезерування (б): 1 – сталь 30ХГС; 2 – сталь 20

Рис. 4. Вплив швидкості різання V на зміцнення сталей, що структурно змінюються: 1 – сталь У10; 2 – сталь 25 ХНВА

Аналогічно точінню збільшення подачі та глибини різання при фрезеруванні підвищує ступінь наклепу. Значно збільшується наклеп при зношуванні різального інструменту. При зустрічному фрезеруванні наклеп виявляється більшим, ніж при попутному (рис. 5).

Рис. 5. Вплив зношування фрези на наклеп поверхні заготовки зі сталі 2Х13 при зустрічному (а) і попутному (б) фрезеруванні: V = 38 м/хв; S_z = 0,05 мм/зуб; t = 1 мм; 1 – знову заточена фреза; 2 – фреза, що пропрацювала половину періоду стійкості; 3 – зношена фреза

Загальні закономірності виникнення наклепу зберігаються і при абразивній обробці: наклеп зростає при підсиленні навантаження на абразивне зерно, що пов’язане зі збільшенням глибини шліфування, частоти обертання заготовок (або поздовжньої подачі стола при плоскому шліфуванні), а також розміру і радіуса заокруглення абразивних зерен (рис. 6).

При підвищені частоти обертання круга навантаження на абразивні зерна знижуються, а кількість теплоти, що виділяється в зоні шліфування та знімає наклеп, збільшується. Зміцнення поверхневого шару при цьому зменшується (рис. 6) [2]. Зі збільшенням числа ходів виходжування у зв’язку з тривалим тертям абразивних зерен та оброблюваної поверхні, що викликає пластичну деформацію металу поверхневого шару, наклеп зростає.

Рис. 6. Вплив зернистості та швидкості круга на наклеп поверхні загартованої сталі: 1 – зернистість 5; 2 – зернистість 6; 3 – зернистість 10

При викінчуванні різними способами теж відбувається наклеп металу поверхневого шару, особливо значний при викінчуванні в режимі полірування.

Хонінгування загартованої сталі в режимі різання (самозаточування) підвищує мікротвердість металу поверхневого шару у зв’язку з його наклепом на 15–20 %, а в режимі полірування – на 30–40 % при глибині поширення наклепу в межах 15–20 мкм.

Суперфінішування відпаленої сталі збільшує мікротвердість металу поверхневого шару на 35–40 %, а загартованої сталі – на 25–30 % при глибині поширення наклепу 5–10 мкм. І в цьому випадку при переході від режиму різання (самозаточування) до режиму полірування спостерігається підвищення ступеня наклепу, яке виражається у більшому дробленні кристалічних блоків і збільшенням викривлення кристалічної решітки.

При викінчуванні вільним абразивом наклеп сталі 45 підвищує мікротвердість з Н_вих = 3930 до 5700 МПа, тобто на 45 % (при глибині поширення наклепу 15–20 мкм).

2. Залишкові напруження у поверхневому шарі, причини їх виникнення

Виникнення залишкових напружень у поверхневому шарі при механічній обробці заготовок пояснюється наступними основними причинами.

1. При дії різального інструменту на поверхню оброблюваного металу в його поверхневому шарі відбувається пластична деформація, яка супроводжується зміцненням і зміною деяких фізичних властивостей металу. Пластична деформація металу викликає зменшення його щільності, а отже, обумовлює зростання питомого об’єму, який досягає 0,3–0,8 % питомого об’єму до пластичної деформації. Збільшення об’єму металу поширюється тільки на глибину проникнення пластичної деформації і не зачіпає шарів металу, які лежать нижче.

Збільшенню об’єму пластично деформованого металу поверхневого шару перешкоджають зв’язані з ним недеформовані шари, що лежать нижче. В результаті цього у зовнішньому шарі виникають стискуючі, а у нижніх шарах – розтягуючи залишкові напруження.

2. Різальний інструмент, що знімає з обробленої поверхні елементну стружку, витягує кристалічні зерна металу підрізцевого шару, які при цьому зазнають пружної та пластичної деформацій розтягу в напрямку різання. Тертя задньої поверхні різального інструменту об оброблювану поверхню в свою чергу сприяє розтягуванню кристалічних зерен металу поверхневого шару. Після віддалення різального інструмента пластично розтягнуті верхні шари металу, зв’язані як єдине ціле з нижніми шарами металу, набувають залишкових напружень стискання, орієнтованих у напрямку різання. Відповідно до цього, в нижніх шарах розвиваються врівноважуючи їх залишкові напруження розтягування. При цьому в напрямку, перпендикулярному до напрямку швидкості різання (тобто в напрямку подачі), також відбувається пружна і пластична деформація кристалічних зерен, які викликають виникнення залишкових напружень (осьові напруження), величина і знак яких можуть збігатися чи не збігатися з величиною і знаком залишкових напружень, орієнтованих в напрямку швидкості різання (рис. 7).

Рис. 7. Типова схема розподілу залишкових напружень у поверхневому шарі оброблювальної поверхні

3. При відділенні від оброблюваної поверхні зливної стружки (обробка пластичних металів при відповідних умовах різання) після пластичного витягування кристалічних зерен металу поверхневого шару у напрямку різання відбувається їх додаткове витягування під впливом зв’язаної з оброблюваною поверхнею стружки у напрямку сходження зливної стружки, тобто вверх. В цьому випадку може відбутись повне переформування кристалічних зерен поверхневого шару (витягування у вертикальному і стискання у горизонтальному напрямках), що призведе до появи в напрямку швидкості різання і подачі залишкових напружень розтягування.

4. Теплота, що виділяється в зоні різання, миттєво нагріває тонкі поверхневі шари металу до високих температур, що викликає збільшення його питомого об’єму. Проте, у розігрітому шарі не виникають внутрішні напруження у зв’язку з тим, що модуль пружності металу знижується до мінімуму, а пластичність зростає. Після припинення дії різального інструмента відбувається швидке охолодження металу поверхневого шару, яке супроводжується стисканням. Цьому перешкоджають нижні шари металу, що залишилися холодними. В результаті у зовнішніх шарах металу розвиваються залишкові напруження розтягування, в нижніх шарах – врівноважуючи їх напруження стискання.