Контрольные вопросы

1. Раскройте влияние факторов на величину шероховатости.

2. Перечислите основные методы и приборы для измерения шероховатости поверхностей, раскройте особенности их работы?

3.Раскройте влияние параметров режима резания на шероховатость поверхностей?

Упрочнение (наклеп) микроструктуры поверхностного слоя

Обработка резанием приводит к пластическому деформиро­ванию поверхностных слоев и изменению их физико-механических свойств. При этом изменяются следующие основные характеристики:

• повышаются все харак­теристики сопротивления пластической деформации (пределы прочности и текучести, твердость и микротвердость);

• пони­жается пластичность (относительное удлинение и поперечное сужение);

• повышается плотность дислокаций на несколько по­рядков и происходит концентрация дислокаций около линий сдвигов;

• появляются упругие искажения кристаллической решетки, что создает препятствия перемещению дислокаций;

• изменяются форма и ориентировка зерен и образуется текстура;

• появляются трещины внутри зерен и между зернами;

• сни­жается плотность материала;

• повышается омическое сопротив­ление;

• изменяются усталостная прочность и износостойкость;

• снижается коррозионная стойкость.

Повышение прочностных свойств и твердости металла при его пластическом деформировании называют наклепом. Хотя пластическая деформация поверхностного слоя может характеризоваться многими показателями, чаще рассматривают два наиболее обобщенных и сравнительно легко определяемых: степень наклепа N и глубину наклепанного слоя Н.

Влияние факторов на поверхностные свойства обработанной поверхности

На наклеп поверхностного слоя влияют элементы режима резания, геометрические параметры режущего инструмента и степень его изношенности, свойства материалов инструмента и детали, охлаждение зоны резания и др. Параметры наклепа поверхностного слоя находятся в тесной взаимосвязи с интенсивностью адгезионного взаимодействия материалов инструмента и детали, коэффициентом трения на задней поверхности инструмента и интенсивностью его износа.

Влияние скорости резания

Влияние скорости резания на наклеп поверхностного слоя сложное, и пути этого влияния многообразны.

Скорость резания определяет скорость пластической деформации поверхностного слоя. С повышением скорости деформации происходит рост предела прочности при растяжении и предела текучести конструкционных материалов. Повышение предела текучести снижает пластичность материала детали и наклеп.

Скорость резания влияет на продолжительность контакта задней поверхности резца с обрабатываемой деталью. При большой скорости резания деталь проходит через зону контакта, не получив того наклепа, который она могла бы получить при малой скорости резания и более продолжительном контакте.

Скорость резания изменяет нормальную и касательную нагрузки и коэффициент трения на задней поверхности инструмента. Повышение этих величин будет способствовать увеличению наклепа, так как при отсутствии контактных нагрузок и трения на задней поверхности наклеп обработанной поверх­ности был бы невозможен.

Скорость резания изменяет ширину пластической зоны (зоны стружкообразования) и положение ее начальной границы относительно вершины резца и линии среза. При повышении скорости резания до оптимальной пластическая зона сужается и глубина ее распространения ниже линии среза уменьшается, что снижает наклеп.

Скорость резания влияет на степень развития нароста или застойной зоны и характер обтекания и подминания металла из зоны стружкообразования в сторону задней поверхности. Нарост увеличивает действительный радиус округления режущей кромки и способствует повышению наклепа.

Скорость резания влияет на интенсивность процесса разупрочнения. При пластическом деформировании в поверхностных слоях осуществляются наклеп и разупрочнение. С повышением температуры и степени деформации скорость протекания процесса разупрочнения, происходящего в результате рекристаллизации, возрастает. Повышение температуры резания способствует увеличению интенсивности процесса разупрочнения и уменьшению наклепа.

Скорость резания влияет на отношение скорости деформации поверхностного слоя к скорости процесса рекристаллиза­ции (разупрочнения). Разупрочнение осуществляется с некоторой конечной скоростью, которая зависит от температуры и степени деформации. Если скорость деформации превосходит скорость рекристаллизации, то будет наблюдаться явление частичного наклепа металла, несмотря на то, что деформация будет проис­ходить при температуре, превышающей температуру рекристал­лизации.

Скорость резания способствует самозакаливанию поверх­ностного слоя и наклепу при фазовом превращении вследствие нагрева поверхностного слоя до температур, превышающих температуру критической точки.

Скорость резания изменяет температуру поверхностного слоя и характеристики пластичности материала детали при этих температурах. Для многих конструкционных материалов в некотором диапазоне температур наблюдается охрупчивание (провал пластичности), выражающееся в снижении относитель­ного удлинения и поперечного сужения. При обработке мате­риалов резанием повышение температуры контакта до темпера­туры, соответствующей максимальному охрупчиванию, будет способствовать снижению наклепа, а при дальнейшем повышении температуры наклеп увеличивается, так как пластичность в этом случае возрастает. Таким образом, наклеп, наблюдаемый на обработанной поверхности детали, определяется совместным действием рассмотренных факторов.

Таким образом, при работе на скоростях резания, соответствующих минимуму коэффициента трения обеспечиваются одновременно и наименьшая интенсивность износа инструмента и наименьшая глубина и степень наклепа обработанной поверхности. Главным фактором, определяющим коэффициент трения на задней поверхности инструмента и параметры наклепа поверхностного слоя, является температура резания (контакта), т. е. скорость резания и толщина срезаемого слоя (подача) выступают, в основном как температурные факторы.

Зависимость глубины и степени наклепа от скорости резания для многих материалов (углеродистых и легированных сталей, жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов) является экстремальной с точкой минимума в области оптимальной темпе­ратуры контакта. Температура контакта для заданной пары твердый сплав-материал детали, являющаяся оптимальной по интенсивности износа инструмента, оптимальна и по основным характеристикам качества поверхностного слоя. Зависимости могут быть монотонно убывающими, монотонно возрастающими или носить экстремальный характер. Характер этих зависимостей определяется скоростями резания и изменением средней температуры контакта, при изменении подачи — относительной оптимальной температурой. Резание на оптимальных скоростях резания обеспечивает наименьшее изменение физико-механических свойств обрабатываемого металла в поверхностном слое (как по глубине, так и интенсивности).

Влияние подачи

Глубина и степень наклепа определяются средней температурой контакта, а скорость резания и подача выступают главным образом как температурные факторы. При работе на постоянной скорости и переменной подаче зависимости могут иметь различный характер, определяемый температурой в зоне резания.

Влияние геометрических параметров режущего инструмента и его износа

На условия стружкообразования в основном влияет передний угол. При изменении угла у от +15° до – 15° глубина наклепа Н увеличивается почти в 3 раза, степень наклепа возрастает с 22 до 35%, что связано с изменением положения (поворотом) начальной границы пластической зоны (или зоны стружкообразования), повышением относительного сдвига и сопротивления движению стружки по передней поверхности.

Увеличение радиуса округления режущего лезвия ρ повышает наклеп поверхностного слоя при всех подачах, особенно при ρ больше толщины среза. Существенно влияет на наклеп увеличение износа резца по задней поверхности через изменение силового фактора, повышение продолжительности пластического деформирования каждого участка обработанной поверхности и изменение температуры в зоне контакта.

Влияние свойств материала детали

Стали и сплавы, обладая различными прочностными и пластическими свойствами, по-разному упрочняются при обработке на металлорежущих станках. Более пластичные и упрочняемые при деформации материалы, как правило, при обработке резанием имеют и больший наклеп. При многофазной структуре больший наклеп получают те структурные составляющие, которые более склонны к деформации и упрочнению.

Влияние свойств материала инструмента

Интенсивность пластической деформации поверхностного слоя зависит от трения на поверхностях инструмента. Поэтому факторы, влияющие на характеристики трения, должны способствовать изменению наклепа обработанной поверхности. Марка инструментального материала в широком диапазоне скоростей резания значительно влияет на коэффициент трения на задней поверхности инструмента.

Таким образом, на наклеп поверхностного слоя влияет марка инструментального материала. Инструментальный материал с меньшей склонностью к адгезионному взаимодействию с материалом детали обеспечивает меньший коэффициент трения по задней поверхности, менее интенсивно изнашивается и формирует поверхность с меньшей глубиной и степенью наклепа. Правильным выбором марки инструментального материала можно регулировать не только интенсивность износа инструмента, но и качество обработанной поверхности.

Контрольные вопросы:

1. Каково влияние факторов на упрочнение поверхностного слоя?

2. Перечислите методы измерения характеристик поверхностного слоя, дайте им развернутую характеристику.

3.Определите влияние параметров режима резания на состояние поверхностного слоя детали.