Наклеп металла поверхностного слоя при механической обработке

При механической обработке в зоне резания одновременно действуют значительные усилия резания, создающие наклеп, и температура, вызывающая разупрочнение металла. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания действий в зоне резания силового или теплового факторов. В связи с этим при различных видах и режимах механической обработки, различной геометрии режущего инструмента степень и глубина распространения наклепа оказываются различными.

При этом всякое изменение режима резания, связанное с увеличением усилий резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжительности воздействия усилий резания на металл поверхностного слоя приводит к увеличению глубины распространения наклепа.

Изменение режимов обработки, приводящее к увеличению количества тепла в зоне резания и увеличивающее продолжительность теплового воздействия инструмента на металл зоны резания, усиливает интенсивность отдыха, снимающего наклеп поверхностного слоя.

С этих общих позиций может быть оценено влияние режимов резания на наклеп поверхностного слоя, однако на практике картина значительно усложняется влиянием сил трения, изменением условий отвода тепла из зоны резания, структурными изменениями металла и некоторыми другими явлениями, трудно поддающимися предварительному учету и искажающими ожидаемые закономерности возникновения наклепа.

При обработке, точением наклеп поверхностного слоя увеличивается с увеличением подачи, глубины резания, радиуса округления режущего лезвия (рис.) и при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным (рис.)

Во всех указанных случаях увеличение наклепа связано с увеличением степени пластической деформации в связи с возрастанием усилий резания,

Влияние скорости резания чаще всего проявляется через изменение теплового воздействия и изменение продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя.

При увеличении скорости резания уменьшается продолжительность воздействия деформирующих сил на металл, что должно привести к уменьшению глубины наклепа.

Одновременно с этим при повышении- скорости резания увеличивается трение и выделение тепла в зоне резания, ускоряющего протекание отдыха. Поэтому для металлов, не претерпевающих при резании структурных изменений, при повышение скорости резания следует ожидать снижения наклепа, что и показано на рис.

Вибрации режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности, возникающие при недостаточной жесткости системы СПИД, создают дополнительное динамическое воздействие инструмента на металл поверхностного слоя, уменьшают продолжительность "отдыха под нагрузкой" и, в конечном счете, увеличивают наклеп металла.

При фрезеровании аналогично точению, увеличение подачи и глубины резания повышает степень наклепа. Значительно увеличивается наклеп при износе режущего инструмента. При встречном фрезеровании наклеп оказывается больше,чем при попутном.

Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке.

При шлифовании наклеп поверхностного слоя возрастает при увеличении нагрузки на абразивное зерно, вызванной увеличением глубины шлифования, скорости вращения изделия (или продольной подачи стола при плоском шлифовании), увеличением размера и радиуса округления абразивных зерен. При увеличении скорости вращения круга уменьшается нагрузка на абразивные зерна; одновременно увеличивается количество тепла, выделяющегося в зоне шлифования, снимающего наклеп и упрочнение поверхностного слоя уменьшается (рис.).

С увеличением числа ходов выхаживания, в связи с продолжительным трением абразивных зерен и обрабатываемой поверхности, вызывающим пластическую деформацию металла поверхностного слоя, его наклеп возрастает (рис.).

При возникновении вибраций шлифовального круга увеличивается фактическая глубина шлифования, возрастает нагрузка на отдельное:

абразивное зерно и общее усилие шлифования. Это приводит к увеличению степени пластической деформации металла во впадинах волн, и к соответствующему повышению степени его наклепа и шероховатости поверхности.

При доводке различными методами происходит наклеп металла поверхностного слоя, особенно значительный при доводке в режиме полирования (до 45%), при глубине распространения наклепа в пределах 15-20 мк.

Остаточные напряжения металла поверхностного слоя. Причины возникновения остаточных напряжений. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке деталей машин объясняется следующими основными причинами:

1. При воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемого металла в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, удельного веса, а следовательно, и увеличение удельного объема, достигающего 0,3‑0,8 от удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже.

Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои, в результате чего в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях - растягивающие остаточные напряжения.

2. Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементную стружку, вытягивает кристаллические зерна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность в свою очередь способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому, в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. При этом в направлении, перпендикулярном к направлению скорости резания (т.е. направлении, подачи), тоже протекают упругая и пластическая деформации кристаллических зерен, вызывающие возникновение остаточных напряжений ("осевые напряжения"), величина и знак которых могут совпадать, а могут и не совпадать с величиной и знаком остаточных напряжений, ориентированных в направлении скорости резания.

3. При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки (обработка пластических металлов при соответствующих условиях резания), после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания, происходит их дополнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т.е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях), что приводит к появлению в направлениях скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения,

4. Выделяющееся в зоне резания тепло мгновенно нагревает тонкие поверхностные сдои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникает никаких внутренних напряжений с вязи с тем, что при таком нагреве металла его модуль упругости снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения действия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся его сжатием, чему препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях -уравновешивающие их напряжения сжатия.

5. При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, I нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные, как известно, с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей большей удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема - возникают остаточные напряжения растяжения. Так, например,если сталь с мартенситной структурой шлифуется засаленным кругом или с недостаточным охлаждением, или с неправильным режимом, то происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структур троостита или сорбита, имеющих меньший удельный объем,чемструктура мартенсита. В этих отожженных слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях - уравновешивающие их напряжения сжатия.

Любая из вышеуказанных причин при обработке металлов резанием может преобладать над другими. При этом она будет определять величину и характер распределения остаточных напряжений. Однако может оказаться, что все названные причины достаточно сильно влияют на свойства поверхностного слоя, поэтому окончательное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер.

Изменение видов и режимов обработки меняет характер напряженного поля в зоне резания и удельное значение тепла в составе причин, влияющих на образование остаточных напряжений. Поэтому изменяется как величина, так и знак остаточных напряжений металла поверхностного слоя.

В большинстве случаев изменение методов обработки и режимов резания, приводящее к увеличению влияния силового поля и повышению степени пластической деформации, вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия и снижение растягивающих напряжений.

Изменение режимов резания и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее этим влияние теплового фактора (повышение скорости резания, увеличение засаливания - абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого металла и режущего инструмента, увеличение длительности соприкосновения отдельных участков обрабатываемой поверхности с режущим инструментом, являющимся источником нагревания металла поверхностного слоя, ухудшение условий охлаждения и т.п.) ведет к росту остаточных напряжений растяжения, уменьшению остаточных напряжений сжатия или к превращению сжимающих остаточных напряжений в растягивающие.

Знак остаточных напряжений определяется полнотой протекания фазовых превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и температуропроводность и другие механические и физические свойства обрабатываемого металла.

При точении, фрезеровании, строгании, сверлении и других методах обработки металлов металлическими или твердосплавными инструментами в поверхностном слое металла возникают остаточные напряжения, которые формируются под влиянием всех указанных выше основных причин.

Поиск по сайту: