Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Образование отклонения физико-механических свойств поверхностного слоя детали
Физико-механические свойства поверхностного слоя характеризуются структурой, глубиной, степенью упрочнения (наклепа), остаточными напряжениями. Эти свойства поверхностного слоя изменяются пол влиянием совместного силового и теплового воздействий. В зависимости от метода обработки может доминировать одно из них. Различают три зоны (рис. 1.6.26) напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя металлических деталей: 1 - резко выраженной пластической деформации, которая характеризуется значительным искажением кристаллической решетки, измельченными зернами и значительным увеличением микротвердости; 2 - упругопластической деформации, характеризуемой вытянутыми зернами, наволакиванием одних зерен на другие и значительным уменьшением микротвердости; 3 - переходной упругоде - формированной, представляющей зону влияния деформации и зону перехода к строению основного металла.
Глубина упрочненного слоя колеблется от двух до сотен микрометров. Степень упрочнения ин, %, характеризует отклонения твердости поверхностного слоя Нн от твердости основного материала Н0:
-2- 100 [%]. |
Твердость Остаточные напряжения Рис. 1.6.26. Характеристики напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя детали |
Г |
J |
Обычно ин составляет 120... 160 %. Наиболее простым способом определения глубины Ия наклепа является измерение микротвердости исследуемого образца на притертой отполированной поверхности косого среза под небольшим углом (рис. 1.6.27). Применяют также и рентгеновские методы.
Остаточные напряжения в поверхностном слое могут быть приблизительно равны пределу текучести материала, а глубина их распределения может превышать глубину наклепа.
Различия поверхностного слоя по глубине пластических деформаций напряженно-деформированного и структурных состояний обусловливают появление в нем остаточных напряжений.
Остаточные напряжения измеряют по деформации образца, происходящей после снятия с него напряженного слоя химическим или электрохимическим способом. Широко распространено определение напряжений по методике академика Н. Н. Давиденкова. Согласно методике тангенциальные и осевые (нормальные) напряжения 1 рода определяют на образце (в виде разрезанного кольца) при последовательном удалении поверхностных слоев. В процессе снятия с кольца тончайших поверхностных слоев методом электрополирования непрерывно регистрируют значения деформаций с помощью тензодатчиков. При этом все поверхности кольца, кроме исследуемой, защищают от воздействия электролита соответствующим покрытием.
Упрочнение поверхностного слоя происходит при силовом воздействии в процессе резания, в результате которого возникают пластические деформации, сопровождающиеся измельчением и вытягиванием кристаллических зерен в направлении деформации, искривлением плоскостей скольжения, возникновением напряжений и искажениями кристаллической решетки. Степень и глубина упрочнения возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия, а также степени пластической деформации. Пластическая деформация означает сдвиговые взаимоперемещения элементов структуры металла по слабым направлениям. Сопротивление металла деформации возрастает и происходит его упрочнение.
В процессе деформации металл поглощает часть энергии, становится термически неустойчивым и в нем самопроизвольно возникают процессы "отдыха" - разупрочнения, частично восстанавливающие его пер воначальные свойства.
Таким образом, пластическая деформация сопровождается упрочнением и разупрочнением, соотношение которых зависит от условий деформации и определяет качество поверхностного слоя. При большей температуре и длительности теплового воздействия возможно полное снятие упрочнения, возникшего в результате силового воздействия.
Степень и глубина упрочнения зависят от метода и режима механической обработки.
Силовой фактор вызывает пластические деформации и порождает только сжимающие напряжения; тепловой фактор вызывает растягивающие напряжения в поверхностном слое. Все это объясняется следующим образом.
Силовой фактор. Вследствие действия сил трения по задней поверхности инструмента поверхностный слой подвергается растяжению При этом деформация его верхней части до какой-то глубины будет пластической, а ниже - только упругой. После прохода инструмента упруго растянутая (нижняя) часть слоя, стремясь сжаться, сожмет пластически деформированную (верхнюю) часть слоя. В результате верхняя часті, слоя будет сжата, а нижняя - частично растянута.
Тепловой фактор. Верхняя часть поверхностного слоя (как более нагретая) стремится удлиниться, а нижняя, более холодная, препятствуем этому. Поэтому в верхней части возникают напряжения сжатия, а в нижней - растяжения. При дальнейшем повышении температуры напряжения в верхней части поверхностного слоя превысят предел текучести, что вызовет в нем дополнительную пластическую деформацию сжатия.
При последующем охлаждении верхняя часть поверхностного слоя стремится укоротиться на величину большего растяжения вследствие.' пластической деформации (нижняя часть не претерпела пластическом деформации). В результате в верхней части возникнут растягивающие напряжения, а в нижней - напряжение сжатия.
Большое влияние на степень и глубину упрочнения оказывает ско рость резания. Влияние скорости резания на степень и глубину упрочне ния не является монотонным. Существует оптимальная скорость резания, при которой эти показатели будут минимальными. Увеличение подачи і it - меняет характера влияния скорости резания на степень и глубину упроч нения, а только уменьшает значение оптимальной скорости резания.
При уменьшении переднего угла от +15° до -15° глубина упрочнения увеличивается почти в 3 раза, а степень упрочнения - на 13 %. Увеличение радиуса скруглення режущего лезвия повышает степень и глубину упрочнения при всех подачах, особенно если он больше, чем толщина среза. Существенно влияет на упрочнение увеличение износа инструмента по задней поверхности. Наибольшее влияние на упрочнение оказывает фаска износа на задней грани при скоростях резания, ббльших или меньших оптимальной. Например, при увеличении фаски износа от 0 до 0,4 мм и оптимальной скорости резания глубина упрочнения увеличивается на 20 мкм, а степень упрочнения - на 4 %. А при обработке со скоростями, меньшими или большими оптимальной, глубина упрочнения возрастает на 55...70 мкм, а степень упрочнения - на 8... 10 %.
Стали и сплавы, обладая различными прочностными и пластическими свойствами, по-разному упрочняются при обработке резанием.
Марка инструментального материала в широком диапазоне скоростей резания значительно влияет на коэффициент трения на задней поверхности инструмента, а следовательно, на степень и глубину упрочнения. Инструментальный материал, обеспечивающий меньшее значение коэффициента трения, формирует подповерхностный слой детали с меньшими степенью и глубиной упрочнения. Например, поверхность, обработанная резцом из сплава Т14К8, имеет меньшую глубину и степень упрочнения по сравнению с поверхностью, обработанной резцом из сплава ВК8. Это связано с тем, что с увеличением содержания карбидов вольфрама, повышается склонность к адгезионному взаимодействию материалов инструмента и заготовки, увеличивается коэффициент трения на задней поверхности.
Формирование подповерхностного слоя у закаленных и незакаленных сталей (чугунов) при шлифовании происходит по-разному. Кратковременные тепловые импульсы при шлифовании незакаленных сталей не могут привести к структурным изменениям в подповерхностном слое, так как не успевают произойти необходимые для этого диффузионные процессы. Процесс стружкообразования при шлифовании сопровождается значительными пластическими деформациями в подповерхностном слое, что способствует упрочнению. Однако высокие температуры в зоне реза - мия вызывают разупрочнение материала, и его наклеп при этом снижается.
Особенностью формирования подповерхностного слоя при шлифовании закаленной стали является то, что ее структура может изменяться под действием даже кратковременных тепловых импульсов, так как при этом в основном происходят бездиффузионные процессы, а распад твердых растворов требует значительно меньших тепловых затрат, чем их образование. При низкой производительности процесса и нормальной (30 м/с) или пониженной скорости шлифования подповерхностный слой упрочняется (наклёпывается) так же, как у незакаленных сталей. При повышении производительности и недостаточном охлаждении происходи: отпуск мартенсита (прижог отпуска) и микротвердость материала становится ниже исходной. При дальнейшем повышении производительности и обильном охлаждении наблюдается вторичная закалка (прижог закалки).
Итак, выше были изложены физико-механические основы возникни вения погрешностей изготовления изделий. Погрешности изготовления изделия формируются на технологическом переходе и на протяжении технологического процесса. Поэтому рассмотрим эти этапы раздельно.