Характеристика поверхностного слоя металла.

Поверхностным слоем называется слой металла, который по сво­им физико-механическим и химическим свойствам значительно отли­чается от слоев нижележащего металла.

При эксплуатации деталей их поверхностный слой подверга­ется наиболее интенсивному износу под влиянием механического, химического, теплового, магнитоэлектрического, светового воз­действия. В результате на поверхности металла появляются тре­щины, следы коррозии, кавитации, эрозии и т.д. Поэтому к ка­честву поверхностного слоя металла предъявляются более высокие требования, чем к металлу, находящемуся в сердцевине детали.

Качество поверхностного слоя характеризуется множеством параметров:

Геометрические погрешности поверхностей в зависимости от отношения шага S к высоте неровностей R_Z подразделяются сле­дующим образом: при S/R_Z < 50 - шероховатость поверхности, при S/R_Z = 50...1000 - волнистость поверхности, а при S/R_Z > 1000 - отклонения от правильной геометрической формы (овальность, ко­нусность, вогнутость и т.д.).

По ГОСТ 2789-73 нормирование шероховатости осуществляется по высоте (R_Z, R_a, R_max) и по параметрам, характеризующим форму, расположение и направление микронеровностей в пределах базовой длины - среднему шагу неровностей S_m, среднему шагу неровностей по вершинам S и относительной опорной длине профиля t_Р.

Волнистость появляется на поверхности детали в процессе механической обработки из-за вибраций в технологической системе. Различают поперечную волнистость с расположением волн перпендикулярно к движению режущего инструмента и продольную - с расположением волн в направлении движения инструмента.

Остаточные напряжения подразделяются на три вида:

• напряжения первого рода или макронапряжения. Они охваты­вают области, размеры которых соизмеримы с размерами детали и имеют ориентацию, связанную с формой детали. Возникают от неод­нородности силового, температурного поля внутри детали;

• напряжения второго рода, или микронапряжения, распростра­няющиеся на отдельные зерна или группу зерен;

• напряжения третьего рода, относящиеся к искажениям атом­ной решётки.

Напряжения второго и третьего рода имеют разную ориентацию и малы по значению, поэтому не оказывают влияния на коробление деталей. Эти напряжения возникают в результате фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зёрен на блоки при пластической деформации.

Остаточные напряжения можно определить расчетными и экспе­риментальными методами. При теоретических расчетах определяют значения и знак напряжений в результате силового и теплового напряжений в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, формы и размеров детали. При экспериментальных методах остаточные напряжения определяют расчетами по деформации образца после снятия с него напряженного слоя. Этот метод является разрушающим.

При исследованиях поверхностного слоя широко используют рентгеновский метод, позволяющий определять остаточные напряже­ния и наклёп.

Структуру металла поверхностного слоя оценивают металлографическим анализом.

Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности.

Основным параметром геометрической точности поверхности является шероховатость, которая зависит от методов обработки, режимов резания, геометрических параметров и качества заточки режущих пластин инструмента, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, жёсткости технологической системы, наличия охлаждающей жидкости и др.

Профессором П.Е. Дьяченко предложена общая формула, определяющая параметр шероховатости:

где: R_P - расчетная высота шероховатости, зависящая от продольной подачи;

R_ПЛ - шероховатость, получаемая в результате пласти­ческого деформирования металла лезвием инстру­мента;

R_УПР - доля высоты шероховатости, которая получается в результате упругого восстановления металла после прохода инструмента;

R_Л - шероховатость, создаваемая неровностями и дефек­тами лезвия инструмента;

R_Д - шероховатость, получаемая за счет взаимодей­ствия стружки с обработанной поверхностью де­тали или за счет повторного взаимодействия с лезвием режущего инструмента;

R_Ж - шероховатость, возникающая из-за податливости технологической системы.

Из параметров режимов резания наибольшее влияние на шероховатость обработки оказывают скорость резания и подача. С из­менением скорости резания изменяется высота нароста, которая наибольшим образом связана с возникновением на поверхности обработанной детали сколов, микротрещин и других дефектов.

Первая зона соответствует малым скоростям резания, порядка 1 м/мин. Нарост при такой скорости не образуется, поверхность после обработки не имеет задиров.

Во второй зоне скорость резания составляет от 1 до 30 м/мин. В этом случае величина нароста максимальна, поверхность имеет высокую шероховатость.

Третья зона соответствует скоростям резания от 25 до 80 м/мин. При резании с такими скоростями величина нароста умень­шается, а качество обработанной поверхности улучшается.

При скорости резания более 80 м/мин нарост отсутствует. В этой зоне параметр шероховатости близок к расчетному и с изме­нением скорости резания практически не изменяется.

На рис.55 представлена зависимость шероховатости от пода­чи при точении сталей.

Из графика видно, что чем больше подача, тем больше степень шероховатости обработанной поверхности. Наибольший рост шероховатости имеет место при подаче 0,6...0,7 мм/об, когда кривая устремляется вверх.

При малых подачах большую роль в формировании шероховатости начинают играть дефекты лезвия инструмента.

Величина шероховатости может быть значительно снижена, если обработку производить не обычными резцами с цельнометал­лическими державками, а резцами, державки которых имеют полос­ти, заполненные композиционным материалом на полимерной основе, например, синтеграном. Этот материал состоит из различных фрак­ций гранита или габбро-диабаза, соединенных эпоксидной или по­лиэфирной смолой. В поперечном сечении державки могут иметь различную комбинацию металла и композиционного материала, как показано на рис. 56.

.

Рис. 55.Зависимость шероховатости поверхности от подачи