книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

При обработке деталей резанием под действием при­ лагаемых усилий в поверхностном слое происходит пла­ стическая деформация, сопровождающаяся измельче­ нием и вытягиванием кристаллических зерен в направ­ лении деформации (текстура), искривлением плоскостей скольжения и появлением на них обломков кристалли­ ческих зерен, возникновением межкристаллитных на­ пряжений и искажений кристаллической решетки. При этом увеличивается удельный объем металла, снижается его плотность, повышаются пределы текучести и прочно­ сти, а также твердость. Совокупность перечисленных яв­ лений вызывает упрочнение (наклеп) деформируемого металла.

20

Одновременно с упрочнением (наклепом) в поверхно­ стном слое происходит разупрочнение (отдых, возврат), которое частично восстанавливает первоначальные свой­ ства недеформированного металла. Разупрочнение про­ исходит как в процессе самой пластической деформации, так и после нее. Особенно убыстряется процесс разупроч­ нения при нагреве деформированного металла, вызывае­ мого силами трения в зоне резания. При высоких темпе-

d.MKM

Рис. 2. Кривые опорных поверхностей, обработанных растачиванием

(1). шлифованием (2) и раскатыванием (3)

ратурах нагрева и при длительном тепловом воздействии протекающие процессы отдыха (возврата) могут полно­ стью спять наклеп, возникший в результате резания.

Так как в зоне резания одновременно действуют зна­ чительные усилия резания, создающие наклеп, и темпе­ ратура, вызывающая разупрочнение, то конечное состоя­ ние металла поверхностного слоя определяется соотно­ шением процессов упрочнения и разупрочнения.

В связи с этим при различных методах и режимах механической обработки степень и глубина наклепа ока­ зываются различными. Оценка влияния режимов резания на наклеп поверхностного слоя весьма усложняется влиянием сил трения, условиями теплоотвода в зоне резания, структурными изменениями и другими факто­ рами.

При обработке точением наклеп увеличивается с рос­ том подачи и глубины резания из-за увеличения радиуса закругления режущей кромки и при переходе от поло­ жительных передних углов резца к отрицательным. Это

21

вызывается ростом пластической деформации при возра­ стании усилий резания.

При увеличении скорости резания уменьшается время воздействия сил на деталь, уменьшающее глубину на­ клепа. Одновременно увеличивается выделение „тепла, что ускоряет разупрочнение металла. Поэтому следует ожидать снижение наклепа для металлов, которые в процессе обработки сохраняют структуру более или ме­ нее постоянной.

При обработке же сталей, претерпевающих при точе­ нии структурные изменения, увеличение скорости реза­ ния может вызвать поверхностную закалку обрабаты­ ваемой детали. В этом случае упрочнение поверхностного слоя вызывается не наклепом, а структурными измене­ ниями (закалкой) в поверхностном слое металла.

Аналогично точению увеличение подачи и глубины резания при фрезеровании повышает наклеп.

Общие закономерности возникновения наклепа сохра­ няются и при абразивной обработке: наклеп возрастает при увеличении нагрузки на абразивное зерно, связанное с увеличением глубины шлифования, скорости вращения изделия, увеличением размера и радиуса округления абразивных зерен.

При доводке различными методами [86, 106, 120] также происходит наклеп металла поверхностного слоя, особенно при полировании.

Хонингование закаленной стали в режиме резания — самозатачивания повышает микротвердость металла по­ верхностного слоя на 15—20%, в то время как хонинго­ вание в режиме полирования увеличивает микротвер­ дость на 30—40% при глубине наклепа 15—20 мкм [120].

Суперфиниширование отожженной стали повышает микротвердость на 35—40%, а при обработке закаленной стали — на 25—30% при глубине наклепа 5—10 мкм.

При доводке свободным абразивом наклеп стали 45

личению удельного объема, происходящего из-за пластн-

22

ческой деформации поверхностных слоев металла при резании и абразивной обработке;

2) сопротивлением недеформированных слоев метал­ ла вытягиванию верхних слоев металла в направлении резания, подачи и в вертикальном направлении при от­ делении сливной стружки;

3)сопротивлением сжатию поверхностных слоев ни­ жележащими холодными слоями при охлаждении пер­ вых в процессе резания;

4)структурными изменениями, вызывающими объем­ ные изменения в металле, в результате фазовых превра­ щений при нагреве зоны резания.

Так, например, при шлифовании стали с мартенсит­ ной структурой в зонах прижогов образуются структуры троостита или сорбита с меньшим удельным объемом, чем мартенсит. Это приводит к возникновению в этих зо­ нах остаточных напряжений растяжения.

Очевидно, что в зависимости от условий резания и структурного состояния обрабатываемого металла любая из указанных причин может преобладать над другими и определять величину и знак остаточных напряжений.

Вбольшинстве случаев изменение методов обработки

ирежимов резания, приводящее к увеличению влияния силовых факторов, вызывает рост остаточных напряже­ ний сжатия. Однако при обработке пластичных металлов увеличение сил резания может привести к повышению растягивающих остаточных напряжений.

Изменение режимов резания и условий обработки, приводящее к повышению температуры резания, вызы­ вает рост остаточных напряжений растяжения.

Более подробно эти вопросы изложены в работах Б. А. Кравченко [82] и А. А. Маталина [118]. При обра­ ботке пластичных металлов с обычно применяемыми ре­ жимами резания и геометрией режущего инструмента напряженное поле стружки обычно оказывает более сильное влияние на деформацию металла поверхностно­ го слоя, чем напряженное поле в зоне под поверхностью сдвига. В результате этого в поверхностном слое возни­ кают остаточные напряжения растяжения. Увеличение усилий резания приводит к росту остаточных напряже­ ний .растяжения.

Скорость резания при точении, изменяя тепловое воздействие и продолжительность теплового и силового

23

влияния на металл, оказывает большое влияние на формирование остаточных напряжений.

При обработке пластичных материалов, когда под влиянием сливной стружки в поверхностном слое обра­ зуются растягивающие остаточные напряжения, повы­ шение скорости резания приводит к появлению дополни­ тельных тепловых растягивающих напряжений, что вы­ зывает общий рост растягивающих остаточных напряжений.

При обработке пластичных металлов, воспринимаю­ щих закалку, увеличение скорости резания может при­ вести к снижению остаточных напряжений растяжения, формирующихся при малых скоростях резания, и превра­ щению их в напряжения сжатия при обработке на боль­ ших скоростях.

При обработке малопластичных материалов повыше­ ние скорости резания может вызвать появление дополни­ тельных растягивающих напряжений, приводящих к уменьшению сжимающих и даже к образованию растя­ гивающих напряжений.

Увеличение подачи приводит к росту пластической деформации металла в поверхностном слое, поэтому при обработке пластичных металлов увеличение подачи со­ провождается ростом растягивающих остаточных напря­ жений. Напротив, увеличение подачи при точении мало­ пластичных материалов вызывает рост сжимающих остаточных напряжений и глубины их проникновения. Следует учитывать то, что при обработке малопластич­ ных закаленных сталей увеличение подачи приводит к существенному повышению температуры в зоне резания, а следовательно, и к росту растягивающих остаточных напряжений.

Уменьшение положительного переднего угла у и уве­ личение его отрицательного значения повышают величи­ ну пластической деформации, удельный объем деформи­ рованного слоя, а значит, и остаточные напряжения сжатия.

Одним из наиболее распространенных способов окон­ чательной обработки является шлифование. Процесс шлифования протекает при больших напряжениях и ско­ ростях, что приводит к очень высокой температуре в зоне резания. В этих условиях образуются чаще всего растя­ гивающие остаточные напряжения [118].

24

Силовые факторы при шлифовании формируют тан­ генциальные остаточные напряжения растяжения и осе­ вые остаточные напряжения сжатия. При шлифовании в поверхностном слое возникают остаточные напряжения из-за фазовых превращений. Самый тонкий наружный слой под влиянием охлаждающей жидкости претерпе­ вает вторичную закалку, что увеличивает удельный объем металла этого слоя и вызывает в нем образование остаточных сжимающих напряжений.

Рис. 3. Остаточные напряжения при круглом шлифовании При

В то же время в нижележащем отпущенном слое, имеющем меньший удельный объем, возникают напря­ жения растяжения. Степень отпуска и глубина распрост­ ранения зоны отпуска, а также величина растягивающих напряжений в этом слое зависят от количества тепла, поступающего из зоны резания, и возрастают с увеличе­ нием глубины шлифования и уменьшением скорости обрабатываемого изделия. С повышением температуры в зоне резания остаточные напряжения растяжения растут.

Глубина шлифования определяет величину нагрузки на отдельное абразивное зерно и общее усилие резания, а также оказывает большое влияние па температуру в зоне резания. При обработке пластичных металлов уве­ личение глубины шлифования вызывает рост усилий шлифования и повышение температуры поверхностного слоя. Последнее может полностью снять напряжения сжатия, создаваемые усилием шлифования, и в целом способствует снижению суммарных остаточных напря­ жений сжатия (рис. 3, а).

25

При шлифовании высокоуглеродистых сталей, обла­ дающих меньшей пластичностью и теплопроводностью, тепловой фактор оказывает определяющее влияние, и уже при малых глубинах шлифования (0,0125—0,025 лиг) в поверхностном слое формируются растягивающие остаточные напряжения, которые растут с увеличением глубины шлифования (рис. 3,6). При дальнейшем уве­ личении глубины шлифования свыше 0,025 мм могут про­ исходить фазовые превращения в поверхностном слое

б.кгс/мм 2

б.кгс/мм2

Ѵ=43 м/мин: 1 — глубина шлифования, /=0,0375 мм; 2—Г=0,025 мм;

(частичная закалка), что может привести к снижению в нем растягивающих остаточных напряжений из-за уве­ личения удельного объема.

С увеличением продольной подачи детали при круг­ лом шлифовании пластичных металлов растягивающие напряжения переходят в сжимающие. При шлифовании малопластичных сталей, например стали У8, с увеличе­ нием продольной подачи возрастают силы трения, кото­ рые повышают температуру металла в зоне резания, что приводит к увеличению растягивающих напряжений (рис. 4).

Повышение скорости круга увеличивает интенсив­ ность выделения тепла в зоне резания, что ослабляет действие силовых факторов и приводит к росту растяги-' вающих остаточных напряжений. Напротив, повышение скорости изделия уменьшает продолжительность тепло­

26

вого воздействия круга на металл в зоне резания и ослабляет влияние теплового фактора на формирование остаточных напряжений. Поэтому остаточные напряже­ ния растяжения уменьшаются, а сжатия — увеличи­ ваются.

При выхаживании [214] увеличиваются степень пла­ стической деформации и наклеп металла в поверхност­ ном слое, что приводит к образованию остаточных на­ пряжений сжатия.

в,нгс/мм2

Рис. 5. Остаточные напряжения при суперфинишировании закаленной стали 45: 1 — режим резания; 2, 3 — режимы полирования

В настоящее время все чаще (в связи с ужесточе­ нием требований к деталям) применяются различные доводочные операции. Почти все доводочные процессы осуществляются при сравнительно низких скоростях и незначительных давлениях, поэтому роль тепловых про­ цессов в образовании остаточных напряжений здесь не­ велика, а определяющими факторами являются пласти­ ческая деформация и степень наклепа поверхностного слоя. Обычно в поверхностном слое при доводочных опе­ рациях, например при суперфинишировании, возникают остаточные напряжения сжатия, которые могут дости­ гать значений 75—85 кгс/мм2, и распространяются на глу­ бину ^ = 0,005—0,015 мм [86] (рис. 5),

27

занные с обеспечением качества поверхности, не могут быть решены этими методами.

К таким задачам в первую очередь относятся сле­ дующие: улучшение шероховатости на 3—5 классов за один проход; упрочнение поверхностного слоя, образова­ ние поверхностей с обтекаемыми и пологими неровностя­ ми; тонкое регулирование всех характеристик микро­ рельефа поверхности, в том числе таких, как опорная поверхность, величина радиуса закругления выступов неровностей, угол наклона их образующих, число высту­ пов и впадин на единицу площади; создание микрорелье­ фа поверхностей с регулярными по форме и расположе­ нию микронеровностями.

Только методы поверхностного пластического дефор­ мирования могут с успехом решить многие из этих за­ дач, одновременно повышая физико механические свой­ ства обрабатываемых поверхностей деталей.

3.КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

ИДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ

Надежность и долговечность большинства ответствен­ ных деталей определяется прежде всего качеством по­ верхностей. Влияние состояния поверхности, например, на предел усталости в зависимости от различных спосо­ бов изготовления деталей зависит от трех факторов: концентрации напряжений вследствие шероховатости поверхности, рисок и им подобных повреждений; струк­ турных изменений в поверхностном слое; величины, зна­ ка и характера распределения остаточных напряжений. Влияние этих факторов на предел усталости трудно раз­ граничить, и поэтому, несмотря на большое количество работ в этой области, до сих пор не получены общие закономерности для различных материалов и условий нагружения.

Однако установлено, что грубо обработанные поверх­ ности, как правило, обладают меньшей долговечностью по сравнению с поверхностями, имеющими меньшую ше­ роховатость. Так, например, если среднюю долговечность подшипников с шероховатостью поверхности желобов V 5 принять за 100%, то при V 9 она будет равна 400%, а рри V 10 и V 11 — соответственно 900 и 1200%, поэтому

29