Лабораторная работа №2 Отделочно-упрочняющая обработка методом выглаживания.

1. Теоретические положения.

1. Физическая сущность формирования поверхностного слоя.

Надежность силовых деталей в изделии определяется пове­дением двух видов рабочих поверхностей: поверхностей главных рабочих движений и поверхностей неподвижных соединений. Пер­вый вид поверхностей должен характеризоваться повышенной из­носостойкостью, второй - стабильностью поведения, т.е. сох­ранением рабочих напряжений в течение требуемого времени.

Способность рабочих поверхностей сопротивляться различ­ным нагрузкам определяется состоянием поверхностного слоя, т.к. он подвергается при эксплуатации в наибольшей степени физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. Механизм зависимости эксплуатационных свойств детали от показателей качества поверхностного слоя осуществляется по схеме, предс­тавленной на рис.1.

Существующие методы формообразования по - разному ока­зывают влияние на формирование показателей качества поверх­ностного слоя, структура которого показана на рис.2. Приграничный с окружающей средой слой состоит из адсорбиро­ванной влажной вязкой пленки как результат действия различ­ных рабочих жидкостей и их паров. Этот слой на молекулярном уровне влияет на длительность сопротивления поверхности действию окружающей среды. Он может быть устранен только от­жигом в вакууме.

Поверхностный слой

Неровности поверхности

Физико-химическое состояние

поверхностного слоя

шероховатость

волнистость

дефекты

структура

химсостав фаз

фазовый

Физико-химические свойства

Эксплуатационные свойства

специальные

механические

химические

тепловые

электрические

магнитные

оптические

прочность

твердость

износостойкость

пластичность

пористость

смачиваемость

коррозия

катализ

адсорбция

диффузия

Рис.1. Схема механизма воздействия поверхностного слоя на эксплуатационные свойства.

Слой 2 состоит из сильно деформированной раздробленной структуры металла, с искаженной кристаллической решеткой, обезуглероженным и обедненным легирующими элементами. Могут наблюдаться пустоты, надрывы и трещины. Этот слой в наиболь­шей степени отличается от основного металла по своим физи­ко-механическим и химическим свойствам. Слой 3 состоит из зерен, имеющих однонаправленную ориентацию от действия внеш­них сил и является переходным к основному металлу. Слой 4 - исходная структура металла.

Глубина сформированного поверхностного слоя, степень деформирования зависят от условий обработки. Образование по­верхностного слоя при обработке резанием можно представить схемой (рис.3).

При действии режущего инструмента в обрабатываемом ме­талле возникает опережающая волна деформации, затухающая в объеме металла. Формирующаяся поверхность воспринимает дейс­твия нормальной сжимающей силы F_N и Fτ. Нормальная сила вы­зывает деформацию сжатия, а сила трения - деформацию растя­жения. Поверхностный слой подвергается действию неоднородной пластической деформации. Это сопровождается структурными из­менениями в металле. В атомной решетке резко возрастает ко­личество дислокаций, вакансий и других дефектов решетки. Происходит дробление зерен на фрагменты и блоки с угловой разориентировкой их. Изменяются форма и размеры зерен. У по­верхности они измельчаются и вытягиваются, ориентируясь в направлении усилия деформирования.

При пластической деформации около 10% от затраченной энергии поглощается металлом, из них 98% состоит энергия ис­кажения кристаллической решетки. Скрытая энергия деформиро­ванного металла поверхностного слоя возрастает. Металл ста­новится термодинамически неустойчивым, метастабильным.

В деформированном поверхностном слое возрастают все ха­рактеристики сопротивления деформированию: предел упругости, текучести, прочности, усталости. Снижаются характеристики пластичности: относительное удлинение и сужение, повышаются твердость, хрупкость (уменьшается ударная вязкость), внут­реннее трение.

В процессе механической обработки в зоне резания (воз­действия) возникает тепло. Нагрев деформированного металла поверхностного слоя при температурах (0,25…0,3)Т_ПЛ вызыва­ет возврат (отдых), а при температурах выше 0,4Т_ПЛ - рекрис­таллизацию, сопровождающуюся частичным или полным снятием деформационного упрочнения. Таким образом, в процессе меха­нической обработки происходят два взаимно исключающихся про­цесса: деформационное упрочнение и разупрочнение. Физическое состояние поверхностного слоя силовой детали определяется интенсивностью и скоростью протекания механотермического воздействия инструмента и окружающей среды. При этом могут произойти изменения фазового и химического состава.

1.2. Оценка физико-химического состояния.

Пластическая деформация характеризуется изменением сте­пени деформации по глубине поверхностного слоя δ и степенью деформации отдельных зерен δ_З.

Деформационное упрочнение (наклеп) оценивают глубиной h_H и степенью наклепа Нμ, а интенсивность наклепа по глуби­не - градиентом наклепа - η_Н.

Степень наклепа [1]

(1)

где Hμ_MAX – наибольшее измеренное значение;

Hμ_ИСХ – значение исходного состояния.

Градиент наклепа

(2)

Глубина, степень и градиент наклепа определяются изме­рением микротвердости на поверхности косых срезов и при пос­лойном сравнивании, а также рентгеноструктурным анализом.

Глубина наклепанного слоя зависит от вида обработки: несколько мкм - после доводки, полирования, тонкого шлифова­ния, притирки; 200…250 мкм - после чернового точения, строгания, фрезерования. Особо тяжелые условия резания (большая подача и глубина резания, малые скорости резания, отрицательные передние углы) обеспечивают глубину измененно­го слоя более 1 мм.

Оценка искаженности кристаллической решетки металла по­верхностного слоя производится по концентрации вакансий и плотности дислокаций.

Вакансия - незанятое место в узле кристаллической ре­шетки. Механическое воздействие через повышение температуры увеличивает число вакансий. Отношение числа вакансий n_V к числу атомов n в данном объеме называют концентрацией вакансии: с=n_v/n. Число вакансий при комнатной температуре ма­ло (одна вакансия на 10¹⁸ атомов, а вблизи температуры плав­ления - одна вакансия на 10⁴ степени атомов).

Дислокация - линейный дефект кристаллической решетки. Характеристика дислокации - плотность дислокаций - суммарная длина дислокаций в см, приходящаяся на 1 см³, размерность см^-2. При воздействии напряжений дислокация начинает дви­гаться и может достигать у металлов 10⁸...10^1Зсм^-2.

Параметры aтoмнo-кpиcтaлличeскoй структуры определяют методами рентгеноструктурного анализа.

Изменения фазового состава оценивают по форме, ориенти­ровке и распределению фаз по толщине слоя.

Химический состав слоя и его фаз можно характеризовать элементным составом, концентрацией и распределением их. Перс­пективным методом определения химического состава является микрорентгеноструктурный анализ.

Эксплуатационная надежность силовых деталей зависит в большой степени от наличия остаточных напряжений. Остаточны­ми напряжениями называют такие напряжения, которые существу­ют и взаимно уравновешиваются внутри детали после устранения причин, вызывающих их появление.

Появление остаточных напряжений связано с технологичес­кой наследственностью, т.е. условиями изготовления заготовки и детали.

Остаточные напряжения можно классифицировать по протя­женности и физической сущности. Общепринята классификация Н.Н.Давиденкова по первому признаку:

напряжения 1-го рода или макронапряжения, схватывающие области, соизмеримые с размерами детали, имеют ориентацию, связанную с формой; возникают от неоднородности силового, температурного или материального полей внутри детали;

напряжения 2-го рода или микронапряжения, распространя­ющиеся на отдельные зерна металла или группу зерен;

напряжения 3-го рода - субликристаллические, относящие­ся к искажениям атомной решетки. Здесь термин "напряжения" условный, правильно пользоваться термином "статические иска­жения решетки" или "искажения 3-го рода".

Образование остаточных напряжений всегда связано с не­однородными линейными или объемными деформациями в смежных объемах материала детали.

Причинами возникновения макронапряжений являются необ­ратимые неоднородные распределения деформации по объему де­тали после обработки волочением, прокаткой, ковкой, холодной правкой, резанием, поверхностным пластическим деформировани­ем, а также при нагреве и охлаждении, и вследствие неодно­родного изменения объема при фазовых превращениях (закалка, старение, цементация и другие физико-химические процессы). Напряжения в металле, независимо от причин их вызывающих, в физике твердого тела рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки.

Основные причины возникновения микронапряжений - фазо­вые превращения, изменения температуры, анизотропии механи­ческих свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на блоки при пластической деформации.

Причиной образования искажений кристаллической решетки являются, главным образом, дислокации и внедренные атомы. Присутствие в решетке растворенных атомов и различного рода несовершенств структуры вызывает статические искажения. Ис­кажения решетки, вызываемые тепловыми колебаниями в кристал­ле при температуре выше 0°К, называют динамическими.

Остаточные макронапряжения оказывают наиболее сущест­венное влияние на циклическую выносливость сложнофасонных деталей. Наибольшей выносливости при знакопеременных нагруз­ках соответствуют сжимающие напряжения, распространяющиеся на глубину поверхностного слоя до 1 мм с наибольшим значени­ем до 600 …1200 МПа [Н/мм²] (2).

Остаточные напряжения определяются механическими мето­дами - расчетным, с учетом механических свойств и -условий механотермического нагружения; экспериментальным с учетом изменения формы"в результате воздействия наведенных остаточ­ных напряжений; разрушающим, по деформациям, возникающим в результате рассечения тела, а также рентгеновским и поляризационно-оптическим методами.

Рис.2 Структура поверхностного слоя.

Рис.3 Схема формирования слоя.

1.3. Технологические основы выглаживания рабочих поверхностей деталей

Повысить ресурс и надежность работы детали можно техно­логическими методами, такими как деформационное упрочнение.

Выбор метода деформационного упрочнения предопределяет­ся формой и размерами детали.

Для упрочнения тел вращения, особенно имеющих концент­раторы напряжений, а также после нанесения специальных пок­рытий используется метод выглаживания.

Выглаживание – отделочно-упрочняющая обработка, обеспе­чивающая шероховатость поверхности Ra = 0,63…0,04 мкм и деформационное упрочнение поверхностного слоя.

Инструмент - выглаживатель скользит по поверхности, ос­тавляя канавку, которая перемещается в осевом направлении в соответствии с подачей. При следующих оборотах обрабатывае­мой детали происходит многократное перекрытие, т.к. ширина канавки больше подачи.

В результате пластического деформирования сглаживаются исходные неровности и образуется новый микрорельеф поверх­ности со значительно меньшей высоток неровностей профиля Rz. Размер детали уменьшается на величину остаточной деформации. После действия выглаживателя остается упрочненный слой с из­мененными физико-механическими свойствами А_УПР, см. рис.3.

При задании дополнительных движений в виде вибраций в осевом направлении можно получить регулярный микропрофиль в виде сетки.

Рис.3. Схема пластического деформирования

Исходными параметрами являются предварительный натяг и сила выглаживания. Технологическими регулируемыми параметра­ми являются подача, радиус рабочей части инструмента, рабо­чая жидкость и др.

Оптимальное значение силы выглаживания Р определяют [1]:

для закаленных сталей:

(3)

для материалов невысокой и средней твердости:

(4)

где HV – твердость обрабатываемой поверхности по Виккерсу;

Д – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;

R – радиус рабочей части выглаживателя, мм.

Сила выглаживания больше 200…250 Н для деталей из высокопрочных материалов и больше 100…150 Н для матери­алов средней твердости нецелесообразна.

Необходимая подача может быть найдена по выражению:

, (5)

где R – радиус рабочей части выглаживателя;

Rz – требующаяся шероховатость обрабатываемой поверхности.

Наименьший параметр шероховатости достигается при пода­че 0,02…0,04 мм/об.

При изменении скорости выглаживания от 16 до 120 м/мин значение шероховатости практически не изменяется.

Рабочая жидкость образует защитную пленку, препятствую­щую износу инструмента и уменьшающую коэффициент трения. На­илучшей жидкостью при выглаживании деталей из черных металлов и сплавов является индустриальное масло И-20А.

Упрочняющий эффект зависит от свойств металла детали и определяется коэффициентом упрочняемости.

(6)

где б_В – предел прочности, Н/мм²;

б_Т – предел текучести, Н/мм².

Чем больше коэффициент упрочняемости, тем лучше упроч­няется металл.

Исходный параметр шероховатости закаленной стали не должен превышать Ra = 1,25 мкм, незакаленных сталей, алюми­ния, бронзы и др. Ra < 2,0 мкм.

Средняя величина изменения размера детали 3…15 мкм.

Оптимальные режимы упрочнения обеспечивают степень уп­рочнения 25…40% при глубине упрочненного слоя до 0,4 мм и сжимающие остаточные напряжения до 1200 МПа, в результате чего повышается износостойкость и усталостная прочность.

При установке выглаживающего инструмента натяг должен превышать биение детали не менее чем в 2,5 раза. Обработка с СОЖ.

2. Цель выполнения работы.

Ознакомить студентов с явлением "технологическая наследственность" и ее влиянием на качество поверхностного слоя.

На примере выглаживания изучить метод технологи­ческого упрочнения деталей пластическим деформированием.

3. Технологическое оснащение.

Для выглаживания используется инструмент упругого дейс­твия (рис.4). Упругость демпфирует колебания в техноло­гической системе, а также дает возможность обрабатывать пре­рывистые поверхности, например, с канавками, отверстиями и т.д.

Рис. 4. Конструкция выглаживателя демпфирующего действия: 1 - шток, 2 - крышка, 3 - упор, 4 - пружина, 5 - корпус, 6 - плунжер, 7 - ограничитель, 8 - выглаживатель.

Упругость (демпфирующее действие), а также натяг можно менять регулированием упругой силы; развиваемой силовым эле­ментом - пружиной 4, имеющей жесткость 25кН/м. Предваритель­ное сжатие пружины производится поворотом штока 1, который действует через упор 3 на пружину 4. Пружина давит на плун­жер 7, который жестко соединен с инструментом - выглаживателем 11, выполненным из твердого сплава.

Установочный элемент позволяет осуществлять установку различных упрочнителей, отличающихся по форме и материалам.

Выглаживатель устанавливается на суппорте токарного станка. Предварительный натяг обеспечивается 0,1…0,5 мм. Натяг можно контролировать по нониусу поперечной подачи станка и по величине давления

4. Содержание работы.

1. Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности при работе в лаборатории "Технология машиностроения".

2. Изучить теоретическую часть работы.

3. Произвести токарную обработку деталей (незакаленные образцы). Шероховатость не более Ra = 2,5...3 мкм.

4. Определить диаметр образца, биение диаметра, шерохо­ватость поверхности и твердость. Результаты занести в прото­кол.

5. Определить коэффициент упрочняемости по формуле (6).

6. Определить по формулам (3), (4) и (5) силу выглажива­ния, скорость выглаживания, подачу.

7. Установить выглаживатель с предварительным натягом в 2,5…3 раза больше радиального биения образца.

8. Произвести выглаживание.

9. Определить диаметр, радиальное биение, шероховатость и твердость поверхности. Результаты занести в протокол.

10. Дать заключение об эффективности упрочнения выгла­ живанием.

Методические указания.

1. Материал образца___________, HRCэ=______, HB=____.

2. Режимы резания при точении:

V = _______________ м/мин;

S = _______________ мм/об;

t = _______________ мм;

3. Материал упрочнителя – твердый сплав ____________,

Радиус рабочей части выглаживателя ____________мм.

4. При нескольких проходах возможно явление перенаклепа (охрупчивание) поверхности. Выглаживание произвести за один проход.

5. Инструмент-выглаживатель подлежит восстановлению после образования площадки озноса диаметром 0,3…0,5 мм, что соответствует пути скольжения 50…100 км.

Протокол исследований

Материал детали____________

Станок_____________________

Диаметр образца_____________

Диаметр упрочнителя_________

Режим резания

Ra, мкм

Твердость

Диаметр, мм

Биение, мм

Режимы упрочения

Ra, мкм

Твердость

Диаметр, мм

Биение, мм

t, мм

S, мм/об

V, м/мин

РН

S, мм/об

V, мм

5. Контрольные вопросы.

1. Какое служебное назначение у рабочих поверхностей?

2. Структура поверхностного слоя.

3. Основные показатели качества поверхностного слоя.

4. Какова физическая сущность процесса поверхност­но-пластического деформирования.

5. Определить технологическое оснащение и условия выг­лаживания .

6. Как влияет упрочнение на эксплуатационные свойства силовых деталей.

6. Рекомендуемая литература.

1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверх­ ностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение. 1987.

2. Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сумма A.M. Технология производства двигателей летательных аппаратов. М.". Машиност­роение. 1982.

3. Одинцов Л.Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. М.Машиностроение. 1981.