Вопрос 10 Современные научные представления о закономерностях формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки резанием

Под качеством поверхности детали понимают свойства ее поверхностного слоя, которые формируются в результате воздействия на поверхность одного или нескольких последовательно применяемых технологических методов обработки. Качество поверхности определяется геометрическими и физико-механическими характеристиками металла, образующего поверхностный слой. Классификация показателей качества поверхности деталей: Геометрические характеристики (Шероховатость Волнистость Отклонения формы), Физико-механические характеристики (Микротвердость Остаточные напряжения Структура).

Механизм возникновения шероховатости обработанной поверхности. Профиль поверхности, обработанной инструментом, имеет регулярно повторяющиеся выступы и впадины, с той или инок точностью копирующие форму режущей кромки. Высота и форма остаточных микронеровностей обработанной поверхности зависит от положения режущих кромок инструмента относительно обработанной поверхности и от вибраций в технологической системе. Образование неровностей поверхности в первом приближении можно представить как след рабочего движения режущей кромки (или кромок) инструмента в поверхностном слое металла. Такой профиль обычно называют регулярным. При изучении шероховатости поверхности рассматривают расчетные и действительные микронеровности. Под расчетными неровностями понимают такие, высота и форма которых могут быть определены геометрически при следующих допущениях: 1) обрабатываемый материал считается абсолютно недеформируемым; 2) технологическая система — абсолютно жесткой; 3) лезвия инструмента представляют собой геометрические линии. Действительные неровности возникают на обработанной поверхности после прохода режущего инструмента. На расчетный профиль шероховатости влияет геометрия инструмента: главный и вспомогательный углы в плане φ и φ1, радиус вершины резца r, а также подача S.

Чем больше S, ф и ф1 и меньше r тем высота неровностей больше. Реальные неровности по форме и высоте отличаются от расчетных. По сравнению с расчетным действительный микропрофиль теряет свою регулярность. При этом Rz > Rz _рассч и это обусловлено: 1) пластическим течением металла в направлении остаточного гребешка; 2) колебаниями детали и инструмента во время обработки; 3) трением задних поверхностей инструмента о поверхность резания; 4) неровностями лезвий инструмента, которые возрастают по мере его изнашивания.

На высоту реальных микронеровностей влияют те же факторы, что и на высоту расчетных неровностей. При уменьшении подачи (толщины срезаемого слоя), углов в плане инструмента и увеличении радиуса при вершине Rz уменьшается. На величину Rz, оказывают влияние и другие факторы, которые влияют на условия трения и деформирования. К ним относятся механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания и свойства СОТС. Глубина резания (ширина срезаемого слоя) и передний угол инструмента на величину Rz значительного влияния не оказывают. При обработке более твердых материалов высота микронеровностей получается меньше, чем при обработке мягких. Вязкие и пластичные материалы более склонны к пластическим деформациям и при обработке резанием дают более грубые поверхности. Недостаточная жесткость технологической системы и возникающие вибрации вызывают перемещения лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали, что везет к увеличению шероховатости.

Влияние скорости резания на высоту микронеровностей проявляется по-разному в зависимости от того, склонен или нет обрабатываемый материал к наростообразованию. Если материал не склонен к наростообразованию, то по мере увеличения скорости резания высота неровностей непрерывно уменьшается. Это связано с уменьшением объема пластической деформации и среднего коэффициента трения. Влияние скорости резания в этом случае не особенно сильно. Если материал склонен к наростообразованию, то высота неровностей находится в прямой зависимости от высоты нароста. Величина Rz достигает максимального значения при наибольшем наросте и затем уменьшается до значений расчетной высоты микронеровностей. При увеличении скорости резания свыше 120 м/мин она практически не оказывает влияния на Rz.

Результаты исследований и производственный опыт показывают, что применение СОТС способствует улучшению микрогеометрии обработанной поверхности и уменьшению износа инструмента. При этом наблюдается уменьшение величины Rz, а при скоростях резания больше 50 м/мин влияние СОТС сильно снижается, и различие во влиянии различных жидкостей нивелируется. Ослабление действия жидкости при увеличении скорости резания связано как с уменьшением времени физико-химического воздействия жидкости, так и с затруднением проникновения ее на переднюю поверхность вследствие большей стабильности положения границы заторможенного слоя на передней поверхности инструмента.

Формирование свойств поверхностного слоя металла при обработке резанием При резании поверхностный слой обрабатываемой детали пластически деформируется и изменяются его физико-механические свойства: повышаются все характеристики сопротивления пластической деформации (пределы прочности и текучести, твердость и микротвердость); понижается пластичность (относительное удлинение и поперечное сужение); появляются упругие искажения кристаллической решетки, что создает препятствия перемещению дислокаций; изменяется форма и ориентация зерен и образуется текстура; появляются трещины внутри зерен и между ними; снижается плотность материала; повышается омическое сопротивление; изменяются усталостная прочность и износостойкость; снижается коррозионная стойкость. Повышение прочностных свойств и твердости металла при его пластическом деформировании называют наклепом. Хотя пластическая деформация поверхностного слоя может характеризоваться многими показателями, чаще всего физико-механические свойства материала поверхностного слоя оцениваются тремя основными показателями: 1) степенью наклепа поверхностного слоя ΔН_v, вычисляемой как отношение разности наибольшей микротвердости наклепанного слоя Н_vH и микротвердости ненаклепанного материала (сердцевины) H_vc к H_vc. .

2) глубиной наклепанного слоя h_н; 3) величиной, характером распределения и знаком остаточных внутренних напряжении, действующих в поверхностном слое детали.

Исследования пластически деформированного поверхностного слоя при резании показывают, что между степенью наклепа и его глубиной существует связь: h_н ≈ k ΔН_v, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала детали и условии резания.

А.М. Даниелян предложил расчетный метод определения глубины наклепанного слоя, базирующийся на решении отдельных задач теории пластичности. При несвободном резании острым резцом глубина наклепа , где Ф – угол сдвига, φ – главный угол в плане. Зависимость справедлива при S/t<0,3.

В большинстве случаев расчетная глубина наклепанного слоя удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Остаточные напряжения и наклеп являются следствием действия сил резания, нагрева материала обрабатываемой детали и структурных превращений. Для металлического инструмента остаточные напряжения в поверхностном слое большинства конструкционных материалов образуются главным образом под действием силового поля. Температура имеет второстепенное значение. При обработке хрупких материалов остаточные напряжения — сжимающие, а при обработке пластичных материалов — чаще всего растягивающие. При высокотемпературном режиме (обработка жаропрочных и жаростойких материалов) остаточные напряжения формируются вследствие высокой температуры поверхностного слоя и являются всегда растягивающими.

На рис. представлена эпюра изменения остаточных напряжений по нормали к обработанной поверхности. В слое толщиной 1-4 мкм (зона I) действуют сжимающие напряжения. В зоне II, протяженность которой зависит от режима резания и переднего угла инструмента, действуют растягивающие напряжения. Протяженность зоны II в 10 и более раз превосходит размеры зоны I, и поэтому состояние поверхностного слоя определяют характер и величина напряжений в зоне II; в зоне III действуют сжимающие напряжения, уравновешивающие действие остаточных напряжении первых двух зон. Наличие растягивающих напряжений в поверхностном слое ухудшает его качество, так как при этом снижается усталостная прочность; если остаточные напряжения превысят предел прочности материала обрабатываемой детали, это может привести к образованию поверхностных трещин.