Вплив механічноїобробки на стан поверхневого шару заготовки
1.Деформаційне зміцнення (наклеп)металу поверхневого шару
При обробці заготовок різанням під дієюприкладених сил в металі поверхневого шару відбувається пластична деформація,яка супроводжується його деформаційним зміцненням (наклепом). Інтенсивність таглибина поширення наклепу зростають зі збільшенням сил і тривалості їх дії та зпідвищенням ступеня пластичності деформації металу поверхневого шару.
Одночасно зі зміцненням (під впливомнагрівання зони різання) в металі поверхневого шару відбувається роззміцнення,що повертає метал в його початковий не наклепаний стан. Кінцевий стан металуповерхневого шару визначається співвідношенням швидкостей протікання процесівзміцнення та роззміцнення, яке залежить від переважання дій в зоні різаннясилового чи теплового фактора.
Ступінь та глибина поширення наклепузмінюються в залежності від виду і режиму механічної обробки і геометріїрізального інструменту. Кожна зміна режиму різання, що викликає збільшення силрізання та ступеня пластичної деформації, веде до підвищення ступеня наклепу.Зростання тривалості дії сил різання на метал поверхневого шару призводить дозбільшення глибини поширення наклепу. Зміна режимів обробки, що веде дозростання кількості теплоти в зоні різання та тривалості теплової діїінструмента на метал зони різання, підсилює інтенсивність роззміцненя, щознімає наклеп поверхневого шару.
З цих загальних позицій може бути оціненийвплив режимів різання на наклеп поверхневого шару, проте на практиці картиназначно ускладнюється впливом сил тертя, зміною умов відведення теплоти із зонирізання, структурними змінами металу і деякими іншими явищами, які важкопіддаються попередньому врахуванню та спотворюють очікувані закономірностівиникнення наклепу.
В процесі обробки точінням наклеп поверхневогошару підвищується при збільшенні подачі та глибини різання у зв’язку зізбільшенням радіуса заокруглення різального леза (рис. 1) і при переході відпозитивних передніх кутів різця до від’ємних (рис. 2). У всіх вказаних випадкахзбільшення наклепу пов’язане з підсиленням ступеня пластичної деформації узв’язку зі зростанням сил різання.
/>
Рис. 1. Вплив подачі S та радіуса r заокруглення вершини різця на мікротвердість Нобточеної поверхні
наклеп деформаціязаготовка механічний
/>
Рис. 2. Вплив переднього кута γ різця намікротвердість Н та глибину наклепу h
Вплив швидкості різання найчастішепроявляється через зміну теплової дії та тривалості дії сил і нагрівання металуповерхневого 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 повиннопризвести до зменшення глибини наклепу, а також в результаті інтенсифікаціїтертя та виділення теплоти в зоні різання, що прискорює процес розміцнення.
В процесі обробки сталей, які зазнаютьструктурних зміни (наприклад, марки У10) при збільшенні швидкості різання,зростання теплоти може викликати поверхневе загартування оброблюваноїзаготовки, що обумовить підвищення мікротвердості металу поверхневого шару (рис. 4),проте в цьому випадку зміцнення поверхневого шару буде пов’язане не з наклепомметалу, а з його структурними змінами.
/>
Рис. 3. Вплив швидкості різання на зміцненнясталей, 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 таглибини різання при фрезеруванні підвищує ступінь наклепу. Значно збільшуєтьсянаклеп при зношуванні різального інструменту. При зустрічному фрезеруваннінаклеп виявляється більшим, ніж при попутному (рис. 5).
/>
Рис. 5. Вплив зношування фрези на наклепповерхні заготовки зі сталі 2Х13 при зустрічному (а) і попутному (б)фрезеруванні: V = 38 м/хв; Sz = 0,05 мм/зуб; t = 1 мм; 1 – знову заточенафреза; 2 – фреза, що пропрацювала половину періоду стійкості; 3 – зношена фреза
Загальні закономірності виникнення наклепузберігаються і при абразивній обробці: наклеп зростає при підсиленнінавантаження на абразивне зерно, що пов’язане зі збільшенням глибинишліфування, частоти обертання заготовок (або поздовжньої подачі стола приплоскому шліфуванні), а також розміру і радіуса заокруглення абразивних зерен(рис. 6).
При підвищені частоти обертання круганавантаження на абразивні зерна знижуються, а кількість теплоти, що виділяєтьсяв зоні шліфування та знімає наклеп, збільшується. Зміцнення поверхневого шарупри цьому зменшується (рис. 6) [2]. Зі збільшенням числа ходів виходжування узв’язку з тривалим тертям абразивних зерен та оброблюваної поверхні, щовикликає пластичну деформацію металу поверхневого шару, наклеп зростає.
/>
Рис. 6. Вплив зернистості та швидкості кругана наклеп поверхні загартованої сталі: 1 – зернистість 5; 2 – зернистість 6; 3– зернистість 10
При викінчуванні різними способами тежвідбувається наклеп металу поверхневого шару, особливо значний при викінчуваннів режимі полірування.
Хонінгування загартованої сталі в режимірізання (самозаточування) підвищує мікротвердість металу поверхневого шару узв’язку з його наклепом на 15–20 %, а в режимі полірування – на 30–40 % приглибині поширення наклепу в межах 15–20 мкм.
Суперфінішування відпаленої сталі збільшуємікротвердість металу поверхневого шару на 35–40 %, а загартованої сталі– на 25–30 % при глибині поширення наклепу 5–10 мкм. І в цьомувипадку при переході від режиму різання (самозаточування) до режиму поліруванняспостерігається підвищення ступеня наклепу, яке виражається у більшомудробленні кристалічних блоків і збільшенням викривлення кристалічної решітки.
При викінчуваннівільним абразивом наклеп сталі 45 підвищує мікротвердість з Нвих = 3930 до 5700 МПа, тобто на 45 %(при глибині поширення наклепу 15–20 мкм).
2.Залишкові напруження у поверхневомушарі, причини їх виникнення
Виникнення залишкових напружень у поверхневомушарі при механічній обробці заготовок пояснюється наступними основнимипричинами.
1. При дії різального інструменту на поверхнюоброблюваного металу в його поверхневому шарі відбувається пластичнадеформація, яка супроводжується зміцненням і зміною деяких фізичнихвластивостей металу. Пластична деформація металу викликає зменшення йогощільності, а отже, обумовлює зростання питомого об’єму, який досягає 0,3–0,8 %питомого об’єму до пластичної деформації. Збільшення об’єму металу поширюєтьсятільки на глибину проникнення пластичної деформації і не зачіпає шарів металу,які лежать нижче.
Збільшенню об’єму пластично деформованогометалу поверхневого шару перешкоджають зв’язані з ним недеформовані шари, щолежать нижче. В результаті цього у зовнішньому шарі виникають стискуючі, а унижніх шарах – розтягуючи залишкові напруження.
2. Різальний інструмент,що знімає з обробленої поверхні елементну стружку, витягує кристалічні зернаметалу підрізцевого шару, які при цьому зазнають пружної та пластичноїдеформацій розтягу в напрямку різання. Тертя задньої поверхні різальногоінструменту об оброблювану поверхню в свою чергу сприяє розтягуваннюкристалічних зерен металу поверхневого шару. Після віддалення різальногоінструмента пластично розтягнуті верхні шари металу, зв’язані як єдине ціле знижніми шарами металу, набувають залишкових напружень стискання, орієнтованих унапрямку різання. Відповідно до цього, в нижніх шарах розвиваютьсяврівноважуючи 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, яківикликають виникнення залишкових напружень (осьові напруження), величина і знакяких можуть збігатися чи не збігатися з величиною і знаком залишкових напружень,орієнтованих в напрямку швидкості різання (рис. 7).
/>
Рис. 7. Типова схема розподілу залишковихнапружень у поверхневому шарі оброблювальної поверхні
3. При відділенні від оброблюваної поверхнізливної стружки (обробка пластичних металів при відповідних умовах різання)після пластичного витягування кристалічних зерен металу поверхневого шару унапрямку різання відбувається їх додаткове витягування під впливом зв’язаної з оброблюваноюповерхнею стружки у напрямку сходження зливної стружки, тобто вверх. В цьомувипадку може відбутись повне переформування кристалічних зерен поверхневогошару (витягування у вертикальному і стискання у горизонтальному напрямках), щопризведе до появи в напрямку швидкості різання і подачі залишкових напруженьрозтягування.
4. Теплота, що виділяється в зоні різання,миттєво нагріває тонкі поверхневі шари металу до високих температур, щовикликає збільшення його питомого об’єму. Проте, у розігрітому шарі невиникають внутрішні напруження у зв’язку з тим, що модуль пружності металузнижується до мінімуму, а пластичність зростає. Після припинення дії різальногоінструмента відбувається швидке охолодження металу поверхневого шару, якесупроводжується стисканням. Цьому перешкоджають нижні шари металу, щозалишилися холодними. В результаті у зовнішніх шарах металу розвиваютьсязалишкові напруження розтягування, в нижніх шарах – врівноважуючи їх напруженнястискання.
5. При обробці металів, схильних до фазовихперетворень, нагрівання зони різання викликає структурні перетворення,пов’язані з об’ємними змінами металу. В цьому випадку у шарах металу зіструктурою, що має більший питомий об’єм, розвиваються напруження стискання, ав шарах зі структурою меншого питомого об’єму – залишкові напруженнярозтягування. Наприклад, перехід аустеніту в мартенсит збільшує об’єм, щопризводить до виникнення залишкових напружень стискання. При переходімартенситу в троостит, що має менший об’єм, виникають залишкові напруженнярозтягування.
Будь-яка з вищезгаданих причин при обробціметалів різанням може переважати над іншими. При цьому вона буде визначативеличину і характер розподілу залишкових напружень. Проте, якщо всі згаданіпричини достатньо сильно впливають на властивості поверхневого шару, токінцевий розподіл залишкових напружень по глибині поверхневого шару набуваєнадто складного характеру.
Зміна видів і режимів обробки змінює характернапруженого поля в зоні різання і питоме значення теплоти у складі причин, щовпливають на створення залишкових напружень. У зв’язку з цим змінюється яквеличина, так і знак залишкових напружень металу поверхневого шару.
У більшості випадків зміна видів обробки ірежимів різання, що призводять до збільшення впливу силового поля і підвищенняступеня пластичної деформації, викликає зростання залишкових напруженьстискання і зниження розтягальних напружень за винятком обробки пластичнихметалів, коли підвищення впливу силового поля може призвести до підсиленнярозтягальних і зменшенню стискальних напружень.
Зміна режимів різання і умов обробки, щовикликають за собою підвищення миттєвої температури нагрівання металуповерхневого шару та підсилення цим впливом теплового фактора (підвищенняшвидкості різання, збільшення засалювання абразивного круга при шліфуванні,зниження теплопровідності оброблюваного металу і різального інструменту,збільшення тривалості зіткнення окремих ділянок обробленої поверхні з різальнимінструментом, що є джерелом нагрівання металу поверхневого шару, погіршення умовохолодження тощо), обумовлює зростання залишкових напружень розтягування чиперетворення 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 питомихоб’ємів структурних складових суміжних шарів металу поверхневого шару. Прицьому дуже велике значення для формування залишкових напружень має хімічнийсклад металу і його здібність до структурних змін, пластичність, пружність,теплопровідність і температуропровідність та інші механічні та фізичнівластивості оброблюваного металу.
Точіння. При точінні залишковінапруження виникають під впливом однієї з вищезгаданих причин або утворюються врезультаті одночасної дії всіх чи частини цих причин. Остаточна величина, знак,глибина поширення і характер епюри залишкових напружень поверхневого шару післяточіння залежать від ступеня дії кожної з причин, що беруть участь приутворенні залишкових напружень.
Вплив швидкості різання при точінні найчастішевсього проявляється у зміні теплової дії (з підвищенням швидкості різаннякількість теплоти, що виділяється в зоні різання, зростає) і в зміні тривалостітеплового і силового впливу на метал поверхневого шару з боку інструмента.
При обробці пластичних матеріалів, наприкладсталі, ЭИ437Б (рис. 8, а), коли під дією напруженого поля стружки в металіповерхневого шару виникають залишкові напруження розтягування, підвищенняшвидкості різання призводить до появи додаткових теплових розтягальнихнапружень, які збільшують загальну величину залишкових напружень розтягування.
/>
Рис. 8. Вплив швидкості різання на залишковунапругу при точінні
При обробці пластичних матеріалів, якіпіддаються загартуванню, наприклад, сталі 30ХГС (рис. 8, б), збільшеннякількості теплоти в зоні різання, пов’язане з підвищенням швидкості різання,може призвести до загартування металу поверхневого шару, повнота протіканняякого зростає зі збільшенням температури нагрівання, а отже, і швидкостірізання. Збільшення питомого об’єму металу поверхневого шару при його загартуванніпризводить до зниження залишкових напружень розтягування, що формуються прималих швидкостях різання, і перетворення їх в напруження стискання при обробціна великих швидкостях.
При обробці мало пластичних металів різанняміз створенням елементної стружки, при якій формуються залишкові напруженнястискання, підвищення швидкості різання може викликати появу додатковихтеплових залишкових напружень розтягування, які призводять до зменшеннястискальних і навіть до створення розтягальних напружень.
При точінні загартованих металів збільшеннянагрівання поверхневого шару, пов’язане зі зростанням швидкості різання, можевикликати відпущення металу і зменшення його питомого об’єму, що призводить дозниження залишкових напружень стискання, які виникають під впливом напруженогополя передньої поверхні інструмента при малих швидкостях різання (рис. 8, в). Вприкладі, наведеному на рис. 8 в, збільшення швидкості різання загартованоїсталі 45ХНМФА з 10 до 110 м/хв. супроводжувалося зниженням мікротвердості металуповерхневого шару з 6340 до 5400 МПа.
Збільшення подачі призводить до зростанняпластичної 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 утворюютьсярозтягальні залишкові напруження, збільшення подачі супроводжується зростаннямзалишкових напружень розтягу. Зростання подачі при точінні мало пластичнихметалів, наприклад, титанового сплаву ВТ6 (рис 9, б), викликає збільшенняпластичної деформації, залишкових напружень стискання (3) і глибини їхпроникнення в метал поверхневого шару (4).
/>
Рис. 9. Вплив подачі на формування залишковоїнапруги при точінні
При обробці мало пластичних загартованихметалів, 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 загальнувеличину залишкових напружень стискання у поверхневому шарі.
Зі зменшеннямпозитивного переднього кута + γ ізбільшенням від’ємного кута – γ підвищуються пластична деформація металу поверхневого шару ійого питомий об’єм, що супроводжується зростанням залишкових напруженьстискання. При точінні пластичних металів залишкові напруження розтягуваннязнижуються, а при точінні мало пластичних металів залишкові напруженнястискання зростають.
Зі збільшенням зношування різальногоінструмента зростають тертя його задньої поверхні об оброблювану поверхнюзаготовки і радіус заокруглення різальної кромки, що призводить до збільшенняпластичної деформації металу поверхневого шару і глибини її поширення. Узв’язку з цим при обробці пластичних металів із затупленням різальногоінструмента зростають залишкові напруження розтягування і глибина їх поширення.
Затуплення інструмента, що обробляє мало пластичніметали, призводить до збільшення стискальних залишкових напружень і глибини їхпроникнення у поверхневий шар.
Шліфування. Процес шліфуваннявідбувається при незвичайно великих напруженнях, які виникають у тонкому шаріметалу і стружці, що знімається при обробці з високою швидкістю різання (яка удесятки разів перевищує швидкість різання металевими і твердосплавнимиінструментами), і при високій температурі в зоні різання, яка інодінаближається до температури плавлення оброблюваного металу.
В цих умовах кожна із згаданих раніше причинвиникнення залишкових напружень поверхневого шару може переважати над іншими, ітоді характер розподілу, знак і величина залишкових напружень поверхневого шарупісля шліфування будуть в основному залежати від цієї причини.
Зміна умов шліфування, яка веде за собоюпідвищення температури металу поверхневого шару (погіршення охолодження,зменшення теплопровідності оброблюваного матеріалу, збільшення частотиобертання круга, затуплення, засалювання круга, підвищення його твердості, збільшенняглибини шліфування і подачі, зниження швидкості обертання заготовки),призводить до зростання залишкових напружень розтягування або зниженнязалишкових напружень стискання. І навпаки, зниження нагрівання зони шліфуванняі підсилення силової дії абразивних зерен, що викликає пластичну деформаціюметалу поверхневого шару (збільшення глибини і подачі шліфування при хорошомувідведенні теплоти, використання м’яких і алмазних кругів з хорошимтепловідведенням, зростання частоти обертання заготовки і зниження швидкостіобертання круга, застосування виходжування), сприяє зменшенню тепловихрозтягальних і збільшенню стискальних залишкових напружень.
Необхідно відмітити, що при шліфуванніметалів, схильних до фазових перетворень, збільшення нагрівання заготовки, щошліфується, може привести до структурних змін, які обумовлюють появу залишковихнапружень різного знаку і в більшості випадків знижуючим експлуатаційнівластивості металу поверхневого шару.
Викінчування. Майже всі викінчувальніпроцеси проходять при порівняно низьких швидкостях і незначних тисках. Томунагрівання металу поверхневого шару невелике і не може бути причиною виникненнятеплових залишкових напружень.
Разом з тим, при всіх викінчувальних процесахвідбуваються пластична деформація і наклеп поверхневого шару, які особливовеликі при переводі викінчування із режиму мікрорізання в режим тертя(полірування). У відповідності з цим при викінчуванні в тонкому поверхневомушарі звичайно виникають залишкові напруження стискання, які можна порівняти засвоєю величиною з напруженнями, що з’являються при інших видах механічноїобробки.
При суперфінішуванні загартованої сталі 45стискальні залишкові напруження досягають 844 МПа і поширюються на глибину h =0,005–0,015 мм (рис. 10). При цьому переведення процесу суперфінішування зрежиму мікрорізання в режим полірування збільшує залишкові напруження стисканняз 234 до 844 МПа, тобто більше, ніж втричі.
/>
Рис. 10. Залишкова напруга присуперфінішуванні загартованої сталі: 1 – режим мікрорізання; 2, 3 –режими лощення
Пластична деформація металу поверхневого шарупри хонінгуванні сталі також викликає стискальні залишкові напруження, величинаі глибина поширення яких близька за своїм значенням до залишкових напружень присуперфінішуванні.
Література
1. Бондаренко С.Г. Розмірні розрахунки механоскладальноговиробництва. – К. 1993. – 544 с.
2. Маталин А.А. Технологиямашиностроения. – Л. – М., 1985. – 496 с.
3 Основы технологии машиностроения /Под ред. В.С. Корсакова – М., 1977. – 416 с.
4. Справочник технолога-машиностроителя / Под. ред. А.Г. Косиловой, О.КМищерякова. Т. 1. – М… 1985. – 655 с.
5. Руденко П.А., Шуба В.А и др.Отделочные операции в машиностроении. – К.: Техника, 1990. – 150 с.