Тип направления неровностей шероховатости

№

п/п

Схематическое

изображение

Тип направлений неровностей

Обозначение

Параллельное

шшш

Перпендикулярное

X

М

Перекрещивающееся

Произвольное

К

\/с

ругообразное

Радиальное

Точечное

3. Влияние параметров обработки на высоту микронеровностей

Выше, при изучении геометрии срезаемого слоя при точении, было доказано появление остаточного сечения срезаемого слоя площадью /о, т. е. появление на обработанной поверхности гребеш­ков определенной высоты.

Остаточная площадь /₀ неерезанного гребешка при работе резцом с прямолинейной режущей кромкой и радиусом при вер­шине равным нулю (г = О) равна площади треугольника АВС: /о= $_АВс (рис. 4.4, а).

а

б

Рис. 4.4. Остаточные гребешки при точении

Если высоту треугольника АВС, равную высоте остаточного гребешка, обозначить CD = Н, то из треугольников ADC и BDC можно определить катеты AD и BD:

'

bd^JL

tgcp tg<p

g<P. tg<P, ’

Но сумма AD + DB ~ S, или

Теоретическая высота гребешка микронеровностей Я, которая может быть использована для оценки шероховатости поверхности по параметру рассчитывается по формуле

_{я = 5}.JgфJgФ_L

Формула показывает, что увеличение подачи при точении резцом с ПОСТОЯННЫМИ значениями углов ф и Ф) приводит к росту высоты гребешка. При постоянной подаче и увеличении углов ф или фь высота гребешков растет тоже.

Дальнейшие исследования показали, что на высоту гребешков при точении влияют такие параметры, как: режимы обработки, геометрические параметры инструмента, физико-механи­ческие свойства обрабатываемого материала, применение сма­зочно-охлаждающей жидкости, жесткость технологической системы.

При радиусе вершины резца г > 0 и подаче, меньшей этого ра­диуса (5 < г) (рис. 4.4, 6) высота остаточного гребешка равна раз­ности

Я

Учитывая, что СВ = А0₂ = г и О_гС -—,

Так как величина Я² значительно меньше произведения 2 Я г, то ею можно пренебречь; тогда:

= СВ-СА = СВ - - О_гС².

Эту формулу предложил профессор В. Л. Чебышев. Условие для ее использования - формирование гребешков только закруг­ленной частью вершины резца.

Из этой формулы следует, что при увеличении подачи 5 высота остаточного гребешка Н увеличивается, а с ростом ра­диуса вершины резца г - уменьшается, что подтверждает гра­фик (рис. 4.5).

0.12 015 024 03 ОЗЙ 0,48 Яымоб

Рис. 4.5. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от подачи и радиуса вершины резца при точении стали 45

Приведенными формулами для определения высоты неровно­стей можно пользоваться при больших подачах (5 > 2,5 мм/об) и при глубине резания большей подачи I > Б, когда геометрические факторы преобладают над остальными.

Фактические значения высоты остаточных гребешков, как правило, получаются больше их теоретических значений в резуль­тате действия пластических деформаций, наростообразования, вибраций, трения по задней поверхности инструмента, изменения контура лезвия в процессе износа и др.

Действительный профиль обработанной поверхности часто имеет незакономерную форму, отличающуюся от теоретической. Частицы металла, которые должны были бы остаться на обрабо­танной поверхности, вырываются из-за влияния различных факто­ров, сопутствующих процессу резания. При резании более вязких, пластичных материалов возникают большие пластические дефор­мации в зоне стружкообразования и выше высота неровностей. По­вышение твердости металла уменьшает коэффициент трения, меньше действуют явления идгезии (слипания материала) и снижа­ется пластическая деформация. После обработки заготовок из ста­ли с повышенным содержанием серы и свинца получается меньшая высота неровностей, чем заготовок из углеродистой стали. Заго­товки из стали, имеющей однородную мелкозернистую структуру, полученную после нормализации отпуска, имеют меньшую шеро­ховатость, чем заготовки из сталей с крупнозернистой структурой.

На высоту микронеровностей большое влияние оказывает скорость резания (рис. 4.6). Горбообразный характер зависимости шероховатости от скорости при обработке углеродистых сталей объясняется явлением наростообразования, рассмотренным выше. Параметр Я_: шероховатости имеет максимальное значение при той же скорости (V = 15-40 м/мин), при которой образуется макси­мальный нарост. При малых скоростях резания пластические де­формации и температура в зоне обработки невысокие, поверхност­ный слой мало деформируется и шероховатость поверхности невы­сока. С увеличением скорости резания выше значений V- 40 м/мин, шероховатость уменьшается вследствие прекращения наростообра­зования.

Рис. 4.6. Зависимость шероховатости поверхности от скорости резания при точении стали 45

При отсутствии нароста увеличение скорости приводит к снижению шероховатости, так как исключается отрыв частиц ма­териала, расположенных под режущей кромкой. Если обрабатыва­ется пластичный материал (например, сталь), то захват и отрыв слоев отсутствуют, так как с увеличением скорости уменьшается пластическая деформация. При обработке же хрупких материалов, (например, чугуна), не успевает происходить выламывание частиц материала по границам зерна, а зерна подрезаются, поэтому шеро­ховатость ниже.

При обычном точении глубина резания на шероховатость поверхности влияет незначительно, так как практически не изме­няет деформацию в зоне резания, если жесткость технологической системы достаточно велика. Увеличение глубины резания может привести к снижению шероховатости поверхности, если при этом удаляется корка или упрочненный наклепанный слой и инструмент начинает работать по основному металлу.

Передний угол резца у оказывает незначительное влияние на шероховатость поверхности. Увеличение же износа резца приво­дит к росту шероховатости поверхности. На рис. 4.7 приведена за­висимость шероховатости поверхности от переднего угла резца у и высоты площадки износа по задней грани Л₃ при тонком точении стали 35: V- 500 м/мин, 5 = 0,08 мм/об, (= 0,25 мм.

-15 -10 -5 0 5 10 15 7

Рис. 4.7. Зависимость шероховатости поверхности от переднего угла резца у и высоты площадки износа по задней грани ку при тонком точении стали 35

Для исключения копирования шероховатости режущей кром­ки (неровностей и зазубрин) на обработанной поверхности рабочие поверхности инструмента нужно тщательно затачивать и доводить.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей позволяет снизить высоту микронеровностей (рис. 4.8). Кривая 1 соответст­вует обработке без охлаждения; кривая 2 - обработке с применени­ем веретенного масла для охлаждения; 3 - с применением воды; 4 - четыреххлористым углеродом. Как видно из графика, применение в качестве СОЖ четыреххлористого углерода (рис. 4.8, кривая 4) позволило снизить максимальную шероховатость Л_г в 6 раз.

Рис. 4.8. Влияние скорости резания и смазочно-охлаждающих жидкостей на шероховатость поверхности стали

Шероховатость обработанной поверхности зависит также от жесткости технологической системы. При появлении вибраций технологической системы шероховатость поверхности тем больше, чем выше двойная амплитуда колебаний лезвия инструмента отно­сительно заготовки. Для повышения виброустойчивости техноло­гической системы нужно увеличить ее жесткость, применяя хоро­шо отрегулированные жесткие станки, виброизолированные от другого оборудования, достаточно жесткие приспособления для закрепления заготовок и инструмента. Например, если применить для закрепления заготовок на токарно-револьверном станке более жесткий и виброустойчивый цанговый патрон по сравнению с трехкулачковым, то можно снизить шероховатость обработанной поверхности на 30-40%.

Другие способы повышения виброустойчивости технологиче­ской системы рассмотрены выше при изучении вибраций в процес­се резания. Общие закономерности формирования шероховатости обработанной поверхности при точении сохраняются для других видов обработки резанием.

Вибрации технологической системы являются основной при­чиной появления волнистости обработанной поверхности, которая образуется при малой частоте и высокой амплитуде колебаний. В различных сечениях обрабатываемой заготовки в зависимости от жесткости технологической системы может формироваться разная волнистость. Причинами образования волнистости могут быть действие остаточных напряжений в нежестких заготовках и копи­рование неровностей заготовок.

3. Наклеп в поверхностном слое материала оря резании

На физико-механические свойства поверхностного слоя заго­товки в процессе обработки оказывают комплексное влияние сило­вые и тепловые факторы.

Упрочнение поверхностного слоя, или наклеп, заключается в повышении прочности и твердости пластически деформирован­ного слоя металла по сравнению с его состоянием до обработки.

Лезвие инструмента всегда имеет радиус закругления, и этот радиус в разных точках рассматриваемого участка неодинаков. Ко­гда резец внедрится в металл, он будет с ним соприкасаться по криволинейной поверхности с профилем СА, а стружка будет отде­ляться по плоскости сдвига 0-0 (рис. 4.9, а). Причем слой металла, лежащий между линиями СО и ВА, не срезается, а упруго и пла­стически деформируется, поднимаясь скругленной частью лезвия. По, мере затупления резца возрастает радиус закругления г и тол­щина этого слоя 1_тт увеличивается, а резание происходит только при глубинах / > /_Ш|п. Поэтому существует не один, а несколько плоскостей сдвига, расположенных в глубине деформированного слоя. Наименьшая толщина срезаемого слоя (_тт зависит также от физико-механических свойств обрабатываемого материала и ско­рости резания, при росте которой /_т1П уменьшается.

Рис. 4.9. Схема образования поверхностного слоя детали (а) и эпюра распространения упрочнения по толщине обработанной детали (б)

После прохождения резца происходит частичное упругое вос­становление И_у деформированного слоя (рис. 4.9, а), приводящее к образованию площадки Н контакта между вспомогательной задней поверхностью резца и обработанной поверхностью заготовки. В результате возникают сила нормального давления N перпендику­лярно к площадке контакта и сила трения Т*^- вдоль нее. Для умень­шения сил трения выбирается соответствующее значение заднего угла а, зависящее от упругой деформации материала заготовки.

На рис. 4.9, б приведена схема распространения упрочнения по толщине обработанной детали, на которой можно выделить три зоны:

1. - зона наибольшей деформации с разрушенной структурой, выраженной в искажениях кристаллической решетки, с раздроб­ленными измельченными зернами, с повышенной твердостью, ос­таточными напряжениями, с задирами на обработанной поверхно­сти. В верхней части этой зоны дефектный слой с большим числом микротрещин, который характеризуется повышенными коррозион­ными свойствами и пониженной износостойкостью, поэтому его нужно удалять при последующей механической обработке;

2. - зона наклепанного металла, в которой твердость резко из­меняется по толщине обработанной детали, деформированный слой постепенно переходит к состоянию основного металла;

3. - зона основного металла.

В результате упругопластической деформации твердость об­работанной поверхности заготовок увеличится приблизительно в 2 раза, а твердость поверхности стружки, прилегающей к поверх­

ности резца, - в 2-3 раза. Поверхностное упрочнение (наклеп) за­висит от режимов резания, геометрии режущего инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Характеристиками наклепа являются глубина Л_н, степень м„ и градиент Игр наклепа:

где Н_та* и Я_исх - максимальная и исходная твердость поверхност­ного слоя.

У

Рис. 4.10. Зависимость твердости Н и глубины наклепанного слоя А от скорости резания и подачи (пластинасплаваТ15К6,Ст. 3,1=2 мм)

1(0

30 Ким и

о

Рост подачи 5 практически не влияет на значение твердости, но значительно увеличивает глубину наклепа. Такое влияние пода-

меньшение степени пластической деформации при измене­нии условий резания приводит к снижению наклепа. Если увеличи­вать скорости в диапазоне скоростей наростообразования, то мик­ротвердость Я поверхностного слоя падает (рис. 4.10). При скоро­стях же, связанных с образованием нароста («20 м/мин), твердость увеличивается и глубина наклепанного слоя А максимальна, а при больших скоростях снижается.

чи можно объяснить увеличением количества выделяемого тепла и изменением размеров зоны стружкообразования.

Увеличение переднего угла резца у приводит к снижению как макротвердости, так и глубины наклепного слоя (рис. 4.11).

N
\	N
ч		Г

Ь.мкм

200

150

100

50

•60 -15 -30-15 0 +15

Рис. 4.11. Зависимость твердости Я и глубины наклепанного слоя А от переднего угла у (пластина из сплава Т15К6, Ст. 3, / = 2 мм)

Фнзико-механнческие свойства обрабатываемого мате­риала значительно влияют на степень наклепа. Большей склонно­стью к наклепу обладают более пластичные материалы. Например, у алюминия твердость повышается на 90-100%, у латуни - на 60- 70%, у мягкой стали - на 40-50%, а у твердой стали - на 20-30%.

3. Остаточные напряжения в поверхностном слое материала при резании

Упругопластическое деформирование металла приводит к по­явлению остаточных напряжений в поверхностном слое обрабо­танной детали, которые могут быть растягивающими или сжи­мающими. Напряжения сжатия повышают предел выносливости детали, а напряжения растяжения, наоборот, его снижают. Поэтому при окончательной обработке следует выбирать условия, при кото­рых возникают напряжения сжатия. Установлено, что такой эффект достигается при скоростях резания сталей более 300-500 м/мин, а также при резании инструментом с большим отрицательным пе­редним углом у. Например, при обработке закаленной стали

45НМФА с различными передними углами (рис. 4.12) остаточные сжимающие напряжения возникают на обработанной поверхно­сти на глубине И < 100-250 мкм, а на большей глубине возни­кают небольшие растягивающие остаточные напряжения. Наи­большего напряжения 270 МПа достигают остаточные напряже­ния при обработке резцом с большим передним углом у = 30° на глубине к = 50 - 70 мкм.

Рис. 4.12. Остаточные напряжения в поверхностном слое деталей после обработки резанием:

/ - резец с передним углом у = 15°; 2 - резец с передним углом у = 0°;

3 - резец с передним углом у = -30°

Глубина, знак и значение остаточных напряжений являются важными физико-механическими характеристиками поверхностно­го слоя.

Причинами возникновения остаточных напряжений являются неравномерная пластическая деформация и значительный нагрев поверхностных слоев. При резании верхние слои металла пласти­чески растягиваются, а нижние получают упругую деформацию растяжения. После прохода резца нижние упруго-растянутые слои стремятся упруго сжаться, а верхние пластически деформирован­ные слои этому препятствуют. Поэтому в верхних слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а внутренние слои остаются час­тично растянутыми. При нагреве верхние нагретые слои стремятся

удлиниться, но нижние холодные слои этому препятствуют, в ре­зультате в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. При достаточно высокой температуре нагрева упругие напряжения сжа­тия поверхностного слоя превышают предел текучести, что приво­дит к пластическому сжатию поверхностных слоев. При охлажде­нии детали на ее поверхности появляются напряжения растяжения, а во внутренних слоях — остаточные напряжения сжатия. Интен­сивность действия силового и теплового факторов сказывается на результирующей эпюре остаточных напряжений. Напряжения, воз­никшие от силового воздействия, могут быть уменьшены или пол­ностью сняты при интенсивном нагреве.

При уменьшении переднего угла у и увеличении скорости оста­точные напряжения растяжения уменьшаются и могут менять знак.

С

<Ь

кГ/мм²

Рис. 4.13. Эпюры тангенциальных остаточных напряжений а_т при точении жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ (ЭИ617):

/ - $ = 0.07мм/об; 2 - .г = 0,25мм/об: 3-! = 0,35мм/об

ростом подачи остаточные напряжения увеличиваются (рис. 4.13). При обработке заготовок из высокоуглеродистых ста­лей остаточные напряжения сжатия выше, чем у незакапенных ста­лей, сталей с малым содержанием углерода. Для снижения оста­точных напряжений и уменьшения глубины их проникновения в деталь следует использовать смазочно-охлаждающие жидкости.

Для обеспечения необходимых характеристик качества по­верхности нужно применять рациональные режимы резания, гео­метрию инструмента и другие условия резания, а также технологи­ческие методы поверхностного пластического упрочнения.

Положительное влияние поверхностного упрочнения - повы­шение твердости заготовки при условии, что остаточные напряже­ния - сжимающие и отсутствует разрушение поверхностного слоя.

Отрицательное влияние наклепа при обработке:

-для удаления дефектного слоя требуется дополнительная чистовая обработка;

• геометрическая форма детали со временем может изменить­ся из-за деформирования детали остаточными напряжениями при чистовой обработке со срезанием тонких стружек (развертывани­ем, протягиванием и др.);

• при черновой обработке упрочненного поверхностного слоя заготовки инструмент быстрее затупляется, и ухудшается шерохо­ватость поверхности.