ФОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРОБЛЕНОЇ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛІ В ПРОЦЕСІ РІЗАННЯ
14 ФОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРОБЛЕНОЇ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛІ
В ПРОЦЕСІ РІЗАННЯ
14.1 Якість поверхні при обробленні різанням
Оброблення різанням суттєво змінює експлуатаційні властивості виготовлених деталей машин насамперед внаслідок формування поверхні певної якості: формування шорсткості поверхні та зміни фізико-механічних характеристик матеріалу поверхневого шару. Тому процес різання повинен розглядатися не тільки як процес виготовлення деталей певної форми та розмірів, але і як ефективний спосіб керування експлуатаційними властивостями деталі.
В поняття якості поверхні входять дві групи параметрів, які визначають, з однієї сторони, геометрію реальної поверхні, і з другої – її фізичні властивості.
Реальна поверхня деталі завжди має нерівності різноманітної форми і висоти, які утворюються в процесі її виготовлення.
Фізико-механічні властивості поверхневого шару характеризуються підвищеною його твердістю відносно твердості основного матеріалу заготовки, величиною і знаком залишкових внутрішніх напружень, наявністю мікротріщин, структурних перетворень та іншими показниками.
Геометричні параметри обробленої циліндричної поверхні характеризуються наступними відхиленнями від теоретичного профілю: мікрогеометрією (шорсткість і хвилястість) і макрогеометрією (діжкоподібність, конусність і таке інше).
При обробці різанням шорсткість поверхні утворюється як геометричний слід робочого руху різця відносно заготовки. В результаті на поверхні формується залишковий перетин зрізу з певною висотою нерівностей
,
де S – подача;
і 1 – відповідно головний і допоміжний кути в плані.
Як видно із наведеної формули, величина шорсткості визначається подачею і геометрією заточування. Процес геометричного формування шорсткості обробленої поверхні в значній мірі проявляється при чорновому обробленні.
Поряд з цим, особливо при виконанні чистових операцій, величина шорсткості визначається пластичним деформуванням оброблюваного матеріалу, явищами пружної післядії матеріалу поверхневого шару після проходу інструменту і високочастотними вібраціями інструменту. На шорсткість поверхні впливають також явище пластичного відриву металу в зоні формування гребеню нерівностей, закріплення на обробленій поверхні часток наросту після його руйнування. Тому для визначення шорсткості поверхні в залежності від різних факторів використовують формули, що здобуті експериментальним шляхом.
Для оцінки шорсткості, яка являє собою сукупність нерівностей з відносно малим шагом, ДСТ 2789-73 передбачає наступні параметри: середнє арифметичне відхилення профілю Rа і висоту нерівностей Rz.
Експлуатаційні властивості деталей залежать на тільки від висот нерівностей Rа і Rz, але і від шагу між нерівностями, їх форми і таке інше. Тому відповідно до стандарту, до нормованих показників шорсткості, окрім Rа і Rz, включені такі параметри, як Тм – середній шаг по середній лінії ОО, і – коефіцієнт опорної кривої профілю на відносному рівні (рис. 14.1). В цьому випадку параметр Rа визначає ступінь розсіювання точок профілю по висоті, параметр Тм є характеристикою відстані між нерівностями, параметр визначає форму нерівностей і закон їх розподілу за висотою.
Рисунок 14.1 – Схема до визначення параметрів шорсткості
; ; = l/l; = u/Rt,
де yi – ординати профілю, які відраховуються від середньої лінії;
k і n – кількість вимірів відповідно Rа і Тм на базовій довжині профілю l;
Rt – висота профілю;
u – абсолютний рівень;
l – опорна довжина профілю на відносному рівні ; знаходиться як сума li.
Фізико-механічні властивості поверхневого шару оцінюються трьома показниками: ступенем наклепу, глибиною наклепаного шару; величиною, характером розподілу і знаком залишкових напружень.
Пластична деформація проникає в глибину оброблюваного матеріалу під оброблену поверхню внаслідок додаткової деформації поверхневого шару задньою поверхнею і пружної післядії. Як ми вже відмічали, зміна форми тіла при пластичному деформуванні супроводжується наклепом, фізична сутність якого заключається в блокуванні дислокацій. Під дією температури різання спостерігається явище відпочинку металу або знеміцнення і рекристалізації. Таким чином, в процесі різання діють два конкуруючих фактори – зміцнення і знеміцнення.
Розглянемо схему розповсюдження наклепу під обробленою поверхнею (рис. 14.2).
Твердість по перерізу зменшується по мірі віддалення від поверхні, при цьому особливо різко у верхньому тонкому шарі. Цей шар характеризується подрібненим зерном в результаті дії тиску і температури.
Рисунок 14.2 – Розповсюдження наклепу під обробленою поверхнею
Явище наклепу і зміцнення вперше було помічене Я.Г.Усачовим.
Наклеп може грати позитивну роль, якщо наклепаний шар не зруйнований. В цьому випадку зносостійкість поверхні підвищується. Якщо наклеп супроводжується задирами, розривами і іншими дефектами, він грає негативну роль, тому що задири і розриви є концентраторами напружень, які зменшують межу втомленісної міцності.
Наклеп, який утворився при чорновому обробленні, також негативно впливає на процес різання при чистовому обробленні, тому що інструмент буде працювати по наклепаному шару. Наклепаний шар, утворений при чорновому обробленні, викликає підвищення жолоблення стальних деталей під час гартування. Тому важливо знати, яким чином впливають різні елементи режимів оброблення і геометрії інструменту на наклеп.
Наклеп характеризується мікротвердістю наклепаного шару, глибиною наклепу, ступенем наклепу.
Ступінь наклепу
100%,
де HWн – найбільша мікротвердість наклепаного шару;
HWо – мікротвердість основного матеріалу.
Великий вплив на величину наклепу мають властивості оброблюваного матеріалу. В середньому можна вважати, що матеріали, які мають більшу пластичність, після оброблення різанням здобувають і відносно більше зміцнення. Так, у алюмінію твердість наклепаного шару порівняно з початковою збільшується на 90-100%, у латуні – на 60-70%, у м’якої конструкційної і аустенітної сталей – на 40-50%, у твердої конструкційної сталі – на 20-30%. Чавун також зміцнюється, оскільки при обробленні різанням він пластично деформується.
Швидкість різання впливає на глибину наклепу: із збільшенням швидкості глибина проникнення деформації зменшується, що пояснюється дією знеміцнюючих факторів внаслідок підвищення температури різання.
Подача впливає на інтенсивність утворення наклепу більше, чим глибина різання.
При роботі тупим інструментом глибина наклепу збільшується вдвічі і більше.
При чистовому обробленні на утворення наклепу великий вплив має відношення радіусу округлення різальної кромки до товщини зрізу а: K = /а (рис. 14.3). Чим більше K, тим процес різання протікає складніше із-за великих кутів різання на округленій ділянці. При цьому поверхневий шар піддається значній пластичній деформації. При певному значенні K різання взагалі не відбувається. До теперішнього часу нема одностайної думки про граничну величину K, коли наступає стійке різання. Є лише відомості для окремих умов оброблення, наприклад, при точінні сталі K = 10-15.
Рисунок 14.3 – Вплив відношення радіусу округлення різальної кромки
до товщини зрізу на утворення наклепу
14.2 Залишкові напруження
Фізико-механічні властивості поверхневого шару, які визначають якість обробленої поверхні, окрім наклепу, характеризуються величиною, глибиною і знаком залишкових напружень.
Пластична деформація викликає залишкові напруження, які розповсюджуються приблизно на глибину наклепаного шару.
Механізм їх утворення наступний. Під дією сили тертя задньої поверхні інструменту об оброблену поверхню проходить пластичне розтягування верхніх шарів обробленої деталі, тому нижчі шари піддаються пружній деформації розтягування. Після проходу інструменту нижчі шари прагнуть стиснутись, але цьому протидіють пластично деформовані верхні шари. Як результат в нижчих шарах залишаться напруження розтягування, а в верхніх – напруження стискання, які їх урівноважують.
Під дією тепла, яке виникає в процесі різання, верхні шари нагріваються до високої температури. Після закінчення різання проходить швидке охолодження цих шарів, що супроводжується їх стискуванням, але стискуванню верхніх шарів перешкоджають нижні шари, які залишилися холодними. В результаті в верхніх шарах виникають залишкові напруження розтягування, а в нижніх – напруження стискування, які їх урівноважують.
Таким чином, в результаті деформацій в верхніх шарах утворюються напруження стискування, а в результаті тепла – напруження розтягування. В залежності від умов різання переважають ті або інші залишкові напруження.
При різанні виникають напруження другого і третього роду, тобто мікроскопічні, які розповсюджуються на окремі зерна, або субмікроскопічні, які відносяться до атомної решітки.
14.3 Вплив якості обробленої поверхні на експлуатаційні
характеристики виготовлених деталей
Шорсткість поверхні, ступінь наклепу і глибина його розповсюдження, величина і знак залишкових напружень мають великий вплив на експлуатаційні характеристики деталей. Так, утворення наклепаного шару, особливо з залишковими напруженнями розтягування, приводить до зниження втомленісної міцності деталей.
Другою причиною зниження характеристик міцності є виникнення внаслідок механічного оброблення місць концентрації напружень. Вони можуть бути різних видів. Відомо, що груба поверхня є джерелом концентрації напружень. Ще більше зменшує втомленісну міцність технологічні риски і місцеві вириви, які є наслідком несприятливих умов механічного оброблення. Тому правильне орієнтування технологічних рисок відносно лінії дії робочих навантажень є важливим резервом підвищення міцності деталей. Так, перехід від поперечного розташування рисок відносно напрямку діючих навантажень до поздовжнього, підвищує межу втомленісної міцності на 40%. Механічне оброблення, яке ведеться з виникненням несприятливих вібрацій, приводить до утворення як поздовжніх, так і поперечних рисок, та, як наслідок цього, до різкого зменшення втомленісної міцності.
ФОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРОБЛЕНОЇ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛІ В ПРОЦЕСІ РІЗАННЯ