3.2. Упрочение обработанных поверхностей при резании (наклеп)

Анализ схемы образования стружки показывает, что пластическое деформирование поверхностного слоя при резании связано с действием напряжений перед резцом и ниже линии среза, а также с контактным взаимодействием задней поверхности инструмента с деталью.

Режущая кромка инструмента, даже после тщательной доводки представляет собой сложную криволинейную поверхность с переменным радиусом кривизны  (рис. 3.10):

 = 0,02 - 0,2 мм

Рис.3.10. Схема взаимодействия режущей кромки с обрабатываемой поверхностью

Часть режущей кромки AB, расположенная ниже центра давления стружки, характеризуется отрицательными значениями передних углов  в каждой точке (  45). Эта часть режущей кромки при движении резца пластически деформирует поверхностный слой, вызывая появление в нем дополнительных внутренних напряжений, которые частично релаксируют после снятия нагрузки. Размер детали изменяется на величину a, но полного восстановления не происходит. Необратимые изменения, вызванные пластической деформацией поверхностного слоя, проявляются в изменениях микротвердости по сечению детали и наблюдаются после механической обработки пластичных материалов (рис. 3.11). Степень упрочнения (наклепа) зависит от температурно-силовых условий на поверхностях контакта, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, скорости деформации.

Установлено, что глубина наклепа уменьшается при снижении скорости дислокаций, т. е. с ростом твердости материала. Действительно, в хрупких, твердых материалах, закаленных сталях, чугунах размеры зоны пластической деформации очень незначительны.

Степень упрочнения экспериментально устанавливают путем измерений микро твердости H₂₀ и последующего расчета по формуле:

, (3.3)

где: H20 и Hvc - результаты измерений Hv на расстоянии 10 - 20 мкм от поверхности образца и в недеформированной зоне.

Остаточное напряжения определяют методами рентгеноструктурного анализа или послойным электрохимическим травлением. Зависимость характеристик упрочнения от скорости резания при точении жаропрочного сплава ЭП868 резцом из твердого сплава ВК8 показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11 Распределение микротвердости в зоне резания

Как видно из рис. 3.11, микротвердость немонотонно изменяется вдоль оси OX, дважды достигая максимума.

Первый максимум связан с пластическим деформированием перед резцом ниже линии среза. Движущаяся перед резцом волна сжимающих напряжений вызывает пластическую деформацию материала детали, упрочнение и повышение его микротвердости. Однако по мере приближения к вершине материала детали разупрочняется вследствие повышения температуры.

Вторичная пластическая деформация, названная контактным взаимодействием на задней поверхности резца, вновь приводит к упрочнению обрабатываемого материала и, следовательно, к новому повышению его микро твердости.

Интенсивность вторичного упрочнения зависит от характеристик молекулярного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов.

В зоне упругого контакта на задней поверхности инструмента наблюдается некоторое разупрочнение обрабатываемого материала, что связано с упругим восстановлением поверхностного слоя.

Зависимости Hv₂₀(V) и N(V) показаны на рис. 3.12. Установлено, что минимальные значения Hv₂₀ и N соответствуют оптимальной скорости резания, при которой работа, затрачиваемая на резание и скорость размерного износа инструмента минимальны.

Внешнее магнитное поле, созданное в поле деформации с помощью катушки, установленной на резце, уменьшает уровень тангенциальных остаточных напряжений, глубину упрочненного слоя и степень наклепа (рис. 3.8). Это связано с уменьшением в магнитном поле коэффициента трения на поверхностях инструмента и пластических деформаций срезаемого слоя. Полученные данные позволяют рассматривать магнитное поле как фактор управления качеством поверхности детали и работоспособностью режущего инструмента.

Рисунок 3.12. Влияние скорости резания на микро твердость и степень N наклепа.

Предварительный подогрев зоны резания при точении и фрезеровании заготовок в интервале температур от 20 до 600С снижает глубину и степень наклепа, высоту микро неровностей обработанной поверхности и обеспечивает повышение таких эксплуатационных показателей, как длительная прочность и выносливость. Упрочнение инструмента связано с количеством энергии, которое материал может поглотить до разрушения, и может быть осуществлено в процессе механической обработки. Поглощается скрытая энергия деформации в малых объемах. Приращение внутренней энергии при этом составляет около 0,5  3 и определяется:

, (3.4)

где:  - угол между вектором Бюргерса и осью дислокаций.

Тепловая энергия дислокаций:

, (3.5)

где: q_o = 8 10^-9 дис - энергия химической связи.

Упругая энергия дислокаций:

(3.6)

Предельное значение температуры, при которой инструмент упрочняется самопроизвольно:

, (3.7)

где:  - коэффициент теплопроводности.

Толщина дефектного слоя:

, (3.8)

где: _тр - напряжение трения.

Условие образования частиц износа:

, (3.9)

где: – предварительная упругая деформация; E – упругая накопленная энергия; a – удельная энергия когезионной связи.

Толщина дефектного слоя:

(3.10)

где: Pk - контактное давление; L_тр - путь трения.

Сопротивление сдвигу при резании и изменения всех вышеперечисленных параметров зависят от вида и устойчивости диссипативных структур, образующихся в трибосистеме при ее движении к равновесию.

Таким образом, упрочнение контактирующих поверхностей стружки, инструмента и изделия является неотъемлемым признаком процесса резания любых материалов, способных к пластической деформации.

Положительное влияние поверхностного упрочнения связано с повышением эксплуатационных свойств изделий, выносливости, длительной прочности, усталостных характеристик.

Отрицательное влияние наклепа обусловлено тем, что остаточные напряжения в поверхностном слое распределяются неравномерно. При этом впадины микронеровностей на обработанной поверхности становятся концентраторами напряжений, которые способны вызвать изменение формы и размеров детали после механической обработки и даже привести к преждевременному разрушению.

Для уменьшения вредного влияния наклепа на работоспособность изделий рекомендуется производить механическую обработку при оптимальных режимах резания, тщательно заточенным и доведенным инструментом, с применением смазочно-охлаждающих средств, уменьшающих силы трения.

Степень и глубина упрочненного поверхностного слоя возрастают при увеличении толщины и ширины среза, т. е. при черновых операциях. Поэтому необходимо предусматривать в технологических процессах смягчающие обработки – отжиг, искусственное и естественное старение.