3. Упрочнение поверхностного слоя

При обработке заготовок резанием под действием прилагаемых сил в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, сопровождающаяся его деформационным упрочнением (наклепом). Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя.

Одновременно с упрочнением (под влиянием нагрева зоны резания) в металле поверхностного слоя протекает отдых (разупрочнение, возврат), возвращающий металл в его первоначальное ненаклепанное состояние. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового фактора.

Степень и глубина распространения наклепа изменяются в зависимости от вида и режима механической обработки и геометрии режущего инструмента. Всякое изменение режима резания, вызывающее увеличение сил резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Рост продолжительности воздействия сил резания на металл поверхностного слоя приводит к увеличению глубины распространения наклепа. Изменение режимов обработки, приводящее к возрастанию количества теплоты в зоне резания и продолжительности теплового воздействия инструмента на металл в зоне резания, усиливает интенсивность отдыха, снимающего наклеп поверхностного слоя.

С этих общих позиций может быть оценено влияние режимов резания на наклеп поверхностного слоя, однако на практике картина значительно усложняется влиянием сил трения, изменением условий отвода теплоты из зоны резания, структурными изменениями металла и некоторыми другими явлениями, трудно поддающимися предварительному учету и искажающими ожидаемые закономерности возникновения наклепа.

В процессе обработки точением наклеп поверхностного слоя повышается при увеличении подачи и глубины резания в связи с возрастанием радиуса округления режущего лезвия и при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным. Во всех указанных случаях увеличение наклепа связано с усилением степени пластической деформации в связи с ростом сил резания.

Влияние скорости резания чаще всего проявляется через изменение теплового воздействия и продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя. Для металлов, не претерпевающих при резании структурных изменений, при повышении скорости резания следует ожидать снижение наклепа (рис. 13.6) вследствие сокращения продолжительности воздействия деформирующих сил на металл, что должно привести к уменьшению глубины наклепа, а также в результате интенсификации трения и выделения теплоты в зоне резания, ускоряющей протекание отдыха.

В процессе обработки сталей, претерпевающих структурные изменения (например, марки У10), при увеличении скорости резания возрастание температуры может вызвать поверхностную закалку обрабатываемой заготовки, что обусловит повышение микротвердости металла поверхностного слоя (рис.13.7), однако в этом случае упрочнение поверхностного слоя будет связанно не с наклепом металла, а с его структурными изменениями.

Значительно увеличивается наклеп металла при износе режущего инструмента.

Рис. 13.6. Влияние скорости резания на упрочнение сталей, не претерпевающих структурных изменений:

а) при точении

б) при фрезеровании s_z=0,13 мм/зуб

1  сталь 30ХГС, 2  сталь 20

Рис. 13.7. Влияние скорости резания на упрочнение сталей, претерпевающих структурные изменения: 1 сталь У10; 2  сталь 25XHBA

Под степенью упрочнения Н понимают отношение разности наибольшей микротвердости упрочненного слоя Н_m и микротвердости H_W неупрочненного материала к H_W (рис. 13.7), т.е.

(13.5)

Некоторое уменьшение микротвердости непосредственно на обработанной поверхности по сравнению с Н_m связано с необратимым разрушением кристаллической решетки (зона 1 на рис. 13.8). С точки зрения износостойкости поверхностей деталей упрочнение играет положительную роль. Поэтому в ряде случаев после лезвийной обработки проводят упрочняющую обработку поверхностей с помощью обкатки роликами, раскатниками, дробеструйное упрочнение и т.п.

Рис. 13.8. Эпюра распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя