3.2. Влияние технологических факторов на качество поверхностного слоя детали

На шероховатость поверхности заготовок и деталей оказывают влияние многие технологические факторы. При обработке резанием величина, форма и направление неровностей зависят от методов, режимов и схемы обработки. Каждому методу соответствует определенный диапазон шероховатостей. Из параметров режимов резания наиболее существенное влияние на величину шероховатости оказывают скорость главного движения резания и подача.

Влияние скорости главного движения резания на шероховатость связано с явлением наростоообразования. При резании пластичных металлов на передней поверхности вблизи режущей кромки образуется «бугорок» металла, «приварившегося» к передней поверхности. Это так называемый нарост. Причина его возникновения – некоторое притормаживание передней поверхностью резца сходящей стружки. Нарост обладает высокой твердостью, так как, нагреваясь, а затем охлаждаясь, закаливается и, кроме того, значительно уплотняется (наклепывается).

При обдирочной обработке нарост, воспринимая на себя нагрузку, предохраняет переднюю поверхность резца от перегрева и износа. Поэтому явление наростообразования при черновой обработке не вредно, а даже полезно. При чистовой обработке наростообразование – вредное явление, снижающее точность и качество обработанной поверхности. Нарост не удерживается длительное время на поверхности резца, а периодически разрушается и его частицы затягиваются в зону соприкосновения режущей кромкой резца и заготовки. При этом одни частицы образуют вмятины (лунки) на обработанной поверхности, а другие, прилипшие к ней, создают дополнительную шероховатость. Кроме того, неровные края нароста, выходя за режущую кромку, увеличивают размер образующихся микронеровностей обработанной поверхности и негативно сказываются на точности обработки.

В условиях наростообразования невозможно получить высококачественную обработанную поверхность. Устранение причин наростообразования и получение высококачественных поверхностей достигаются следующими путями:

1) работой в определенном диапазоне скоростей резания. Наиболее интенсивно нарост образуется при скоростях резания 7…80 м/мин (рис. 3.2). При малых скоростях резания (до 7 м/мин) температура в зоне резания недостаточна для спекания и закаливания нароста, а при больших скоростях резания (выше 80 м/мин) нарост не успевает привариваться к резцу, увлекаемый быстросходящей стружкой. Поэтому обработку многолезвийными инструментами из быстрорежущей стали (развертками, метчиками) и фасонными резцами, т.е. инструментами, которые должны обеспечивать малую шероховатость, ведут на низких скоростях резания, а твердосплавными резцами, зенкерами, фрезами – на высоких скоростях резания;

Рис. 3.2. Влияние технологических факторов на параметры микронеровностей: а – скорости резания; б – подачи; в — геометрии режущей части инструмента и подачи

2) применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Правильный выбор СОЖ – важный фактор получения высококачественных поверхностей;

3) доводкой или полированием передней поверхности резца. Это резко снижает трение стружки об инструмент. В таких условиях нарост практически не образуется.

При обработке резанием материалов, не склонных к образованию нароста (например, чугуна), размер шероховатости не зависит от значения скорости главного движения резания.

Влияние подачи на шероховатость поверхности может быть определено из геометрических соображений на основе рассмотрения профиля образовавшейся поверхности. Геометрические характеристики этого профиля зависят от размера подачи и геометрии режущей части инструмента. На рис. 3.2 показано влияние подачи и геометрии резца на формируемый профиль при точении.

При точении и строгании резцами с широкой режущей кромкой, при сверлении, зенкеровании, развертывании величина подачи оказывает малозаметное влияние на шероховатость.

Глубина резания при достаточной жесткости ТС не оказывает существенного влияния на шероховатость.

Свойства и структура обрабатываемого материала оказывают влияние на шероховатость поверхности. Более вязкие и пластичные материалы (например, низкоуглеродистая сталь), склонные к пластическим деформациям, дают при их обработке резанием большую шероховатость.

При увеличении хрупкости материала шероховатость поверхности уменьшается. При резании хрупких материалов зависимость Rz = f(V) не имеет «горба» и выражается горизонтальной линией. Стали с повышенным содержанием серы (автоматные) и стали с присадкой свинца после обработки резанием имеют меньшую шероховатость, чем углеродистая сталь, обработанная в одинаковых с ними условиях. С увеличением твердости обрабатываемого материала величина шероховатости снижается.

Как уже отмечалось, одним из основных параметров качества поверхностного слоя являются физико-механические свойства, которые характеризуются твердостью; структурой; величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений; глубиной деформированного слоя; наличием или отсутствием внешних дефектов (микротрещин, ликвации и т. п.).

Физико-механические свойства поверхностного слоя отличаются от исходного материала. Это связано с воздействием силовых и тепловых факторов при изготовлении и обработке заготовок.

Материал поверхностного слоя испытывает упрочнение (наклеп) или разупрочнение; изменяется его структура, микротвердость; образуются остаточные напряжения.

После механической обработки стальной заготовки в поверхностном слое выделяют три зоны (рис. 3.3, а, [8]):

I  зона резко выраженной деформации; характеризуется большими искажениями кристаллической решетки металла, раздроблением зерен, высокой твердостью;

II  зона деформации; в этой зоне наблюдается вытягивание зерен, наволакивание одних зерен на другие, понижение твердости;

III  переходная зона; в этой зоне состояние слоя постепенно приближается к состоянию исходного материала.

Глубина поверхностного слоя зависит от метода и режимов обработки и составляет от 5 мкм при тонкой обработке до сотен мкм  при черновой.

Рис. 3.3. Механические характеристики поверхностного слоя детали из стали:

а  структура поверхностного слоя; б и в  закономерности изменения напряжений в поверхностном слое после соответственно абразивной и лезвийной обработок

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяются применяемыми методами и режимами изготовления и обработки заготовок. Если при обработке доминирует тепловой фактор, то во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения (+ ), а в нижележащих слоях – уравновешивающие их напряжения сжатия (- ). Если доминирует силовой фактор, то в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях – растягивающие остаточные напряжения. Растягивающие остаточные напряжения снижают износостойкость. Поэтому в поверхностном слое стремятся создать сжимающие напряжения.

При обработке лезвийным инструментом доминирует силовой фактор. Вследствие этого в поверхностном слое формируются, как правило, сжимающие напряжения (рис. 3.3, в). Однако при высоких скоростях главного движения резания остаточные напряжения могут быть растягивающими.

При шлифовании большее влияние оказывает тепловой фактор. Характерные для шлифования высокие температуры вызывают в поверхностном слое структурную неоднородность и, вследствие этого, поверхностные прижоги, микротрещины, цвета побежалости. В поверхностном слое при шлифовании возникают остаточные напряжения растяжения (рис. 3.3, б).

При накатывании поверхностей роликами и шариками обеспечиваются пластическая деформация поверхностного слоя, снижение шероховатости и получение сжимающих напряжений. Чрезмерный наклеп при накатывании приводит к разрушению («шелушению») поверхностного слоя.

Остаточные напряжения распространяются на глубину 0,05...0,15 мм.

Кроме остаточных напряжений в поверхностном слое изготавливаемой детали образуется наклеп. Он возникает в результате больших перепадов температур и больших деформаций, приводящих поверхностные слои к упрочнению. Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя. Наклеп поверхности в несколько раз уменьшает ее износ, способствует созданию сжимающих напряжений, повышающих предел выносливости, прочность деталей.

Целенаправленное формирование поверхностного слоя заданного качества, исходящего из требований длительной и надежной эксплуатации деталей, обеспечивается путем применения обычных методов, т. е. рационального выбора последовательности режимов и условий обработки, упрочнения поверхностей закалкой, химико-термической обработкой (цементация, азотирование, цианирование, сульфидирование и др.); наплавкой; гальваническими покрытиями (хромирование, никелирование, цинкование и др.), а также применением специальных методов.

К специальным методам повышения качества поверхностей могут быть отнесены упрочняющие методы пластического деформирования без снятия стружки, создающие наклеп и сжимающие напряжение 400...700 Н/мм². К ним относятся: дробеструйное упрочнение, чеканка, накатывание и раскатывание роликами и шариками, дорнование и калибрование, алмазное выглаживание, электрохимическая обработка и др.