Тема 14. Влияние обработки резанием на качество поверхности и

эксплуатационные характеристики деталей машин.

Обработка резанием существенно изменяет эксплуатационные свойства

изготавливаемых деталей машин прежде всего вследствие формирования

поверхности определенного качества: шероховатости поверхности и

изменения физико-механических характеристик материала поверхностного

слоя. Поэтому обработка резанием должна рассматриваться не только как

процесс изготовления деталей определенной формы и размеров, но и как

эффектив-ный способ управления эксплуатационными свойствами деталей.

Известно, что качество поверхности определяет эрозионную и коррозионную

стойкости поверхностей деталей, их износоустойчивость, усталостную

прочность, прочность прессовых соединений и ряд других показателей.

В понятие качества поверхности входит две группы параметров,

определяющих, с одной стороны, геометрию реальной поверхности, а с другой

- ее физические свойства. Реальная поверхность детали всегда имеет

неровности различной формы и высоты, образующиеся в процессе ее

изготовления. Физико-механические свойства поверхностного слоя

характеризуются повышением его твердости относительно твердости

основного материала заготовки, величиной и знаком остаточных внутренних

напряжений, наличием микротрещин, структурных превращений и другими

показателями. Рассмотрим эти две характеристики поверхностного слоя.

Г е о м е т р и ч е с к и е п а р а м е т р ы о б р а б о т а н н о й ц и л и н д р и ч е ской поверхности характеризуются следующими отклонениями от

теоретичес-кого профиля: микрогеометрией (шероховатость и волнистость) и

макрогеомет-рией (бочкообразность, конусность и т. п.).

Ф и з и к о - м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а м а т е р и а л а поверхностногослоя оцениваются тремя основными показателями:

1) степенью наклепа поверхностного слоя ΔHW , вычисляемой как

отношение разности наибольшей микротвердости наклепанного слоя НWH и

микротвердости ненаклепанного материала (сердцевины) HWo к HWo:

2) глубиной наклепанного слоя hн;

3) величиной, характером распределения и знаком остаточных

внутренних напряжений, действующих в поверхностном слое детали.

Помимо этого, физико-механические свойства поверхностного слоя

характеризуются определенной ориентацией (текстурой) деформированных

зерен, изменением их формы и размеров (обычно вытянуты в направлении

движения резания), целостностью материала поверхностного слоя, т. е.

наличием в нем макро- и микротрещин, структурными превращениями и др.

Кроме того, в процессе резания может происходить альфирование

обработанной поверхности; оно является результатом поглощения водорода,

азота и кислорода из окружающей среды.

Эти изменения физико-механических свойств поверхностного слоя

относительно сердцевины вызваны воздействием на него в процессе резания

рабочих граней инструмента, приводящих к пластической деформации

материала поверхностного слоя, его наклепу. Существенное влияние на

физическое состоя-ние образующегося поверхностного слоя оказывает также

явление упругого последействия материала обрабатываемой заготовки после

прохода инструмента. Вызывая интенсивное трение по задней грани, оно

приводит, подобно обкатке роликом, к упрочению и пластическому

растяжению тонкого поверхностного слоя, а также образованию остаточных

напряжений сжатия.

Большую роль в формировании поверхностного слоя играет тепло,

выделяющееся в процессе резания. Оно является самостоятельным

источником образования остаточных внутренних напряжений растяжения, а

также определяет интенсивность протекания процессов разупрочнения

материала наклепанного слоя. В результате суммирования рассмотренных

процессов металл, образующий поверхностный наклепанный слой детали,

изменяет свои физико-механические свойства и прежде всего твердость по

отношению к основной массе обрабатываемого материала заготовки. В от-

дельных случаях температура резания может превышать температуру точки

АСЗ обрабатываемого материала; в этом случае в поверхностном слое

происходят структурные превращения. Быстрое охлаждение зоны резания,

обусловленное ее локализацией и интенсивным отводом тепла в толщину

детали, приводит к закалке на вторичный мартенсит. В результате этого

материал поверхностного слоя становится более твердым и хрупким.

Знак остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое

обработанной резанием заготовки, определяется знаком напряженного

состояния этой поверхности в процессе резания . Как было сказано выше,

процесс стружкообразования определяется деформациями сдвига и сжатия.

При резании инструментами с положительными передними углами они

приводят к интенсивному растяжению материала, формирующего

поверхностный слой, и образованию зоны растягивающих напряжений. На

этот процесс накладывается явление «накатки» — упрочнение материала

самого верхнего слоя, которое происходит под действием определенного

радиуса закругления ρ режущей кромки и упругого контакта по задней

поверхности инструмента. Оно вызывает образование зоны сжимающих

напряжений. Наличие зоны объясняется необходимостью уравновешивания

действующих остаточных напряжений первых двух зон. Соотношение между

размерами этих зон и величиной действующих в них остаточных внутренних

напряжений определяется схемой обработки резанием и режимами ее

выполнения.

Условия обработки резанием — режимы, геометрия заточки инструмента,

применяемые смазочно-охлаждающие жидкости — сильно влияют на степень

наклепа, глубину наклепанного слоя и величину остаточных напряжений. Так,

например, напряжения, возникающие в процессе резания в поверхностном слое

при точении, растачивании, строгании и встречном фрезеровании, носят

преимущественно растягивающий характер. Наоборот, при попутном

фрезеровании, создающем в процессе обработки сжатие обработанной

поверхности, получаются остаточные напряжения сжатия. Шлифование

характеризуется интенсивным трением абразивных зерен с отрицательными

передними углами, происходящим в условиях высоких скоростей; это вызывает

в материале поверхностного слоя неблагоприятные структурные превращения.

Наряду с этим взаимодействие стремящегося к расширению горячего металла

зоны контакта и окружающего холодного металла приводит к возникновению

больших растягивающих остаточных напряжений. Отдельные виды обработки

создают и различную степень воздействия на поверхностный слой. Так, для

получения меньших величин наклепа при обработке титановых сплавов

выгодно заменять фрезерование точением.

Повышение скоростей резания вызывает рост температур в зоне

резания, сохраняя силы резания почти неизменными. Поэтому

увеличение скоростей резания приводит к образованию растягивающих

внутренних напряжений вследствие суммирования теплового эффекта с

основными пластическими деформациями сжатия в зоне резания и к

интенсивному разупрочнению, снижающему глубину и степень наклепа.

Влияние скорости резания и подачи на величину остаточных тангенциальных

напряжений при точении: жаропрочного сплава ЭИ766А (ЭИ827) (t=0,5 MM,

γ=+7°) и титанового сплава ВТ6 (t=0,5 мм, γ=+7°). Из этих данных видно,

что скорость резания оказывает существенное влияние также на величину и

характер распространения остаточных внутренних напряжений.

Тангенциальные напряжения в поверхностном слое детали являются

растягивающими. Их максимальная величина наблюдается вблизи

поверхности детали (на глубине до 10 мк). Внутри обработанной детали

располагаются небольшие сжимающие тангенциальные напряжения.

Величина остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое,

также зависит от скорости резания. С ее повышением растет их максимальное

значение, при этом глубина их проникания уменьшается.

У в е л и ч е н и е п о д а ч и и г л у б и н ы р е з а н и я п р и в о дит к повышениюдействующих сил резания при сохранении неизменной величины температуры. Поэтому рост s0 и t способствует увеличению величины остаточных

напряжений. Особенно большое влияние на величину и степень наклепа

оказывает подача. Так, при точении сплава ЭИ437А повышение подачи с 0,05

до 0,6 мм/об увеличивает глубину наклепа с 0,09 до 0,155 мм и степень

наклепа с 23 до 37%. При точении сплава ЭИ617 повышение подач с 0,15 до

0,8 мм/об увеличивает величину тангенциальных остаточных внутренних

напряжений в 2—3 раза.

Влияние глубины резания на наклеп обработанной поверхности аналогично

влиянию подачи, однако интенсивность этого воздействия значительно

меньше. Так, увеличение глубины резания при точении сплава ЭИ617 с 0,5 до

3,0 мм приводит к незначительному изменению глубины и степени наклепа и

росту тангенциальных остаточных напряжений с 22 до 35 кгс/мм2 (с 215,8 до

343,3 Мн/м2).

Углы заточки оказывают значительное влияние на наклеп

поверхнос-тного слоя. Увеличение переднего угла, облегчая процесс

стружкообразования, снижает степень и глубину наклепа. При точении

сплава ЭИ437 изменение переднего угла у с —60 до + 30° уменьшает

глубину наклепа с 0,24 до 0,1 мм, степень наклепа— с 42 до 35% и величину

тангенциальных остаточных напряжений— с 70 до 31 кгс/мм2 (с 686,7 до 303

Мн/м2). Увеличение заднего угла а снижает интенсивность трения по задней

поверхности, вследствие чего величина остаточных напряжений падает с 47

до 32 кгс/мм2 (с 461 до 313,9 Мн/м2).

Износ инструмента затрудняет процесс резания и поэтому ведет к

увеличению наклепа. Так, при точении жаропрочного сплава увеличение

износа по задней поверхности быстрорежущего резца до 0,8 мм по сравнению

с не затупленным резцом приводит к повышению глубины наклепа с 0,1 до

0,15 мм и степени наклепа с 73 до 99%, это сопровождается возрастанием

тангенциальных остаточных напряжений с 21 до 32 кгс/мм2 (с 206 до 313,9

Мн/м2).

Смазочно-охлаждающие жидкости, снижая температуру и

облегчая процесс резания, способствуют уменьшению глубины и степени

наклепа, а также уровня остаточных напряжений. Так, при чистовом точении

спинок лопаток турбин из сплава ЭИ437Б подача жидкости под высоким

давлением уменьшает глубину наклепа с 0,15 до 0,065 мм. При черновом

шлифовании вследствие интенсивного тепловыделения возникают большие по

величине растягивающие напряжения [для жаропрочных сталей порядка 60

кгс/мм2 (588,6 Мн/м2)]. Чистовое шлифование с большим числом повторных

проходов без подачи на глубину приводит к значительному снижению как

глубины проникания, так и величины этих напряжений.

Подобные же зависимости наблюдаются и при обработке титановых

сплавов. Повышение скорости резания при прочих равных условиях уменьшает

глубину наклепа. Увеличение подачи ведет к повышению глубины

наклепанного слоя и величин внутренних напряжений. Такое же большое

влияние на увеличение этих показателей оказывает затупление инструмента

по мере обработки. Влияние износа {инструмента на глубину и степень

наклепа при точении сплава ВТЗ (v=40 м/мин, s0=0,22 мм/об; t=l мм, резец

ВК2, γ = 10°.

γf = 0°, f=0,5÷0,6 мм, φ = 45°, φ = 15°, α = α1= 15°, без СОЖ). Глубина

резания существенного влияния на глубину и степень наклепа не оказывает.

Шлифование дает глубину наклепа 0,06 мм и степень наклепа 1,30%;

полирование — соответственно 0,04 мм и 1,14%; применение СОЖ и

уменьшение подачи при шлифовании снижают уровень остаточных

напряжений.

Титановые сплавы по сравнению с обычными сталями характеризуются

повышенной способностью к наклепу. Так, при фрезеровании титанового

сплава глубина наклепа в 5 раз и степень наклепа в 2 раза больше этих

показателей при фрезеровании заготовки из стали ЗОХГСА. При шлифовании

по этим же причинам образуются растягивающие остаточные напряжения

величиной до 70 кгс/мм2 (686,7 Мн/м2). При точении титановых сплавов в

поверхностном слое наряду с растягивающими иногда образуются сжи-

мающие напряжения. Такая высокая интенсивность наклепа титановых

сплавов при пониженной пластичности этих материалов объясняется

особенностями их физико-механических свойств. К ним относится прежде

всего способность титановых сплавов поглощать азот и кислород из

окружающей среды при температурах нагрева, превышающих 600° С.

Температуры, возникающие при резании, превышают это значение. Так,

при точении и фрезеровании титана со скоростью резания 60-:-70 м/мин

температура достигает 700-900°С, а при шлифовании она приближается к

температуре плавления. Активное взаимодействие титановых сплавов с

атмосферными газами приводит к их охрупчиванию и повышению

твердости. В процессе резания воздействие этого процесса складывается с

обычным наклепом.

Влияние указанных выше факторов особенно неблагоприятно проявля-

ется при изготовлении изделий из труднообрабатываемых материалов. Так,

например, при точении лопаток из жаропрочного сплава ЭИ437А [76]

установлено, что в поверхностном слое возникают растягивающие

остаточные напряжения, как осевые, так и тангенциальные, величиной от

40 до 85 кгс/мм2 (от 392,4 до 833,8 Мн/м2). При температуре испытания

800°С предел прочности образцов за 100 ч снизился относительно не

наклепанных образцов у шлифованных на 2%, полированных — на 4,5%,

обработанных чистовым точением на 9,3%. Наибольшее влияние на

снижение прочности оказывает обработка резанием с большой глубиной ре-

зания (t=2 мм), небольшими (α =5°) или очень большими (α =30°)

значениями задних углов и передним углом γ = 30°.

Улучшение качества поверхности повышает предел усталости; так, для

образцов из сплава ЭИ617 уменьшение шероховатости с Ra = 3,2 до Ra = 0,8

дало увеличение предела усталости на 20%. Повышение хрупкости

материала вследствие наклепа также понижает усталостную прочность. Так,

например, в целях уменьшения потерь газовой струи на выходе выходную

кромку лопатки делают острой. Малая толщина кромки в этом месте приводит

к сквозному наклепу при ее обработке резанием и, как следствие, к

снижению ресурса работы вследствие ее хрупкости. Следует также учитывать,

что начиная с определенной твердости механическую обработку следует

заменять электрохимической, производительность которой не зависит от

твердости.

На свойства материала поверхностного слоя значительно влияет также

физико-химическое действие СОЖ. Так, например, применение СОЖ,

содержащих серу и хлор, приводит к образованию в поверхностном слое

активных химических соединений, вызывающих при последующем

обезуглероживании водородную хрупкость и интенсивную внутримолекуляр-

ную коррозию.

Образование наклепанного слоя, особенно с растягивающими

остаточными напряжениями, ведет к снижению длительной, а также

усталостной прочности деталей.

Другой причиной снижения прочностных характеристик деталей

является возникновение в результате механической обработки очагов

концентрации напряжений. Они могут быть различных видов. Известно, что

грубая поверхность является источником концентрации напряжений. Еще более

уменьшают усталостную прочность технологические риски и местные

вырывы, являющиеся следствием неблагоприятных режимов механической

обработки. Так, например, шлифование приводит не только к снижению уровня

остаточных сжимающих напряжений, но, как показывают микрофотографии,

образует на поверхности детали бороздки с острыми краями. Поэтому

правильная ориентация технологических рисок относительно направления

действия рабочих нагрузок является важнейшим резервом повышения

прочности деталей. Данные фирмы «Боинг» показывают, что переход с

поперечного (относительно действующих нагрузок) шлифования на продольное

повышает усталостную прочность деталей на 40%. Обработка отверстий в

высокопрочных сталях протягиванием снижает их усталостную прочность на

75%, между тем как спиральные риски, образующиеся при сверлении,

развертывании, хонинговании, не оказывают заметного влияния. Механическая

обработка с возникновением неблагоприятных вибраций приводит к

образованию как продольных, так и поперечных рисок и, как следствие этого,

резкому снижению усталостной прочности.

Одной из причин снижения прочности деталей являются неметаллические

включения и пустоты, расположенные внутри заготовки; в результате

механической обработки они могут оказаться на поверхности в области

действия максимальных напряжений от внешней нагрузки. Поэтому тонкая

чистовая обработка, например доводка, может привести к образованию острых

кромок на границах включений и пустот.

При теоретической и экспериментальной доработке изложенных выше

вопросов обработки резанием применительно к определенным условиям

эксплуатации деталей можно добиваться не только снижения отрицательного

действия обработки резанием, но и получить существенное повышение

эксплуатационных свойств деталей. Так, известно, что наклеп поверхностного

слоя приводит к повышению прочностных характеристик материала; при этом

наличие в нем остаточных напряжений сжатия повышает усталостную

прочность. Наоборот, растягивающие остаточные напряжения снижают ее.

Поэтому наклеп, получаемый при специально отработанных методах и

режимах резания, может заменить применяемые для повышения усталостной

прочности методы механического упрочнения деталей (обработка роликами,

обдувка дробью и др.). Например, обработка отверстий развертками с

твердосплавными зубьями эквивалентна по усталостной прочности

изготовленных деталей раскатыванию их роликами. Вследствие образования

остаточных сжимающих напряжений этот метод развертывания успешно

конкурирует с хонингованием, несмотря на то что хонингование обеспечивает

лучшую шероховатость поверхности и не вызывает структурных превращений.