8.2 Влияние способов и условий обработки
на шероховатость поверхности
Все многообразные причины, обуславливающие шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы: причины, связанные с геометрией процесса резания; причины, связанные с пластической деформацией обрабатываемого материала; вибрации инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
С геометрической точки зрения высота, форма и расположение шероховатостей определяются формой и состоянием формообразующих элементов инструмента и теми элементами режима обработки, которые влияют на изменение траектории его движения относительно заготовки.
При точении резец описывает относительно оси вращения заготовки винтовую линию с шагом, равным подаче s. В осевом сечении обработанной поверхности образуются гребешки, высота которых зависит от подачи s и углов в плане φ и φ1, радиуса закругления режущей кромки резца r (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Схема токарной обработки вала
При достаточной подаче высота неровностей (шероховатости) H зависит уже только от r и s. Зависимость «геометрической» шероховатости высотой Н от подачи s показана на рис. 8.3,а.
а б
Рис. 8.3. Влияние режимов резания на шероховатость поверхности
При торцовом фрезеровании высота микронеровностей Rz зависит не только от подачи на один зуб фрезы sz, но и от торцового биения режущих кромок фрезы. В данном случае вершины не6ровностей касаются не прямой линии, а синусоиды с шагом s = sz · z (где z – число зубьев фрезы).
При обработке резанием в подповерхностном слое протекают два процесса: пластическое деформирование и упругое восстановление (зоны I и II на рис. 8.1). Эти процессы приводят к увеличению шероховатости.
На рис. 8.3, а кривая 1 отражает влияние подачи на высоту микронеровностей Rz. Экспериментально установлено, что при подачах от 0,02 до 0,1 мм/об шероховатость поверхности Rz при точении конструкционных сталей практически остается постоянной (кривая 2 на рис.8.3, а). Неровности поверхности в этом случае образуются не столько под влиянием геометрических причин, сколько в результате пластических и упругих деформаций. При очень малых подачах Rz может увеличиваться из-за потери устойчивости движения суппорта, который начинает перемещаться не плавно, а рывками.
Существенное влияние на пластические деформации в подповерхностном слое оказывает скорость резания (рис. 8.3, б, кривая 1). При скоростях резания до 40 м/мин происходит образования нароста на резце (приваривание мельчайших частиц обрабатываемого материла к режущей кромке резца). Наросты на резце увеличивают радиус закругления резца и, естественно, ухудшают условия резания, что формирует обработанную поверхность с более высокой высотой микронеровностей Rz. По мере увеличения скорости резания более 40 м/мин, процесс наростообразования на резце уменьшается, так как при увеличении скорости ускоряется процесс отвода стружки из зоны резания. Уменьшение наростообразования ведет к снижению шероховатости обрабатываемой поверхности (рис. 8.3, б, кривая 1). При скоростях резания более 80 м/мин наростообразования на резце не происходит и шероховатость поверхности уменьшается. Применение смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) снижает значение Rz, но при этом сохраняется характер зависимости Rz=f (V) (рис. 8.3, б, кривая 2). При увеличении скорости резания сверх определенного критического значения шероховатость обрабатываемой поверхности Rz остается неизменной. Значение критической скорости зависит от подачи. Например, при обработке конструкционных сталей характерны следующие соотношения между s и Vкр:
s, мм/об 0,1 0,2 0,3 0,4
Vкр, м/мин 190 145 105 92
Вибрации (вынужденные и автоколебания), сопровождающие процесс резания, обычно увеличивают шероховатость обработанной поверхности. Например, увеличение амплитуды осевых (параллельных подаче)колебаний от нуля до 0,2 мм значение параметра Rz при точении увеличивается с 5 до 38 мкм.
При шлифовании в режиме полного самозатачивания параметр Ra увеличивается пропорционально увеличению номера зернистости абразивного материала шлифовального круга. Чем мельче зерна , тем меньше их разновысотность и расстояние между ними. Изнашивание шлифовального круга после его приработки ведет к увеличению параметра шероховатости Ra. Основной причиной этого является неравномерность износа в процессе приработки круга. На поверхности шлифовального круга образуются волны, амплитудой до 15 … 25 мкм. Эти волны вызывают высокочастотные радиальные колебания, которые и увеличивают параметр шероховатости Ra. Окончательно шероховатость поверхности при шлифовании формируется в конце шлифования на этапе выхаживания. Однако, если время выхаживания превышает некоторый оптимальный уровень τопт, то дальнейшее выхаживание не дает эффекта (рис. 8.4, а). Наоборот, при очень малых значениях силы резания Ру процесс шлифования часто становится неустойчивым, возникают автоколебания, ведущие к увеличению шероховатости.
а б
Рис. 8.4. Влияние время выхаживания (а) и дисбаланса шлифовального круга (б)
на параметр шероховатости Ra
При шлифовании основной причиной образования шероховатости поверхности являются вибрации. Характер влияния вибраций, вызванных дисбалансом шлифовального круга определяется жесткостью j1 и j2 технологической системы. При более высокой жесткости j2 увеличение шероховатости происходит более плавно, чем при меньшей жесткости j1 (рис. 8.4, б).
На параметры шероховатости поверхности детали при обработке методами поверхностно-пластического деформирования (ППД) существенное влияние оказывает давление в зоне контакта инструмента и детали, продольная подача форма и размеры деформирующего элемента, исходная шероховатость обрабатываемой поверхности и физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки.
С увеличением нормальной силы Р при раскатывании и обкатывании параметр Ra уменьшается, но это уменьшение происходит до определенного значения при оптимальной силе Ропт (рис. 8.5, а). При увеличении твердости и снижении пластичности обрабатываемой детали величина силы Ропт возрастает. Следует заметить, что хотя сила Р является основным параметром, по которому разрабатываются практические рекомендации по режимам обкатки, в сущности эффективность процесса обкатки зависит от среднего давления Рср на поверхности контакта, которое может быть различным при одной и той же силе Р (рис.8.5, б). Оптимальное давление ропт несколько возрастает с увеличением твердости материала детали. Однако, это возрастание зависит от свойств обрабатываемого материала.
а б
Рис. 8.5. Влияние силы Р (а) и давления р в зоне контакта (б) на параметр Ra
при обработке обкатыванием материалов разной твердости
1 – твердость НВ1; 2 – твердость НВ2 (НВ1 <НВ2)
Так, если при обкатывании поверхности детали, изготовленной из стали 20 оптимальное давление (1,7 кПа) достигается при Р = 650 Н, то при обкатывании детали из стали У8 оптимальное давление равное 2 кПа, достигается при нагрузке Р = 1350 Н. При обкатывании закаленных сталей, имеющих твердость 58 … 62 HRC ропт = 2,6 … 2,8 кПа. Давление р зависит не только от силы Р, но и от радиусов кривизны обкаточного инструмента и заготовки вместе их контакта.
ЛЕКЦИЯ № 9