4.3 Упрочнение при обработке резанием - наклеп

Результатом упругой и пластической деформации мате­риала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклеп) поверхностного слоя. Процесс образования поверхностного слоя деталей при резании материалов представляет собой комплекс сложных физических явлений. Исследованиями уче­ных установлено, что процессы стружкообразования и фор­мирования поверхностного слоя взаимосвязаны: все факторы, приводящие к облегчению процесса стружкообразования и умень­шению объема пластической деформации срезаемого слоя, обычно вызывают изменения (улучшение) состояния поверх­ностного слоя детали. Структура, фазовый и химический составы поверхностного слоя детали зависят от энергии, затраченной на упругопластическое деформирование при его формировании, теплонапряженности процесса резания и харак­тера взаимодействия обрабатываемого материала с материалом режущей части инструмента и окружающей средой.

При рассмотрении процесса стружкообразова­ния считают инструмент острым. Однако инструмент всегда имеет радиус округления режущей кромки ρ (рис. 4.13, а), равный при обычных методах заточки примерно 0,02 мм. Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания t больше радиуса ρ. Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя металла, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом ρ и лежащий между линиями АВ и CD упругопластически деформируется. При работе инструмента значение радиуса ρ быстро растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между линиями АВ и CD увеличивается.

Рис. 4.13 - Схема образования поверхностного слоя заготовки (а) и эпюра распро­странения упрочнения по толщине заготовки (б)

Упрочнение металла обработанной поверхности заготовки про­является в повышении ее поверхностной твердости. Твердость ме­талла обработанной поверхности после обработки резанием может увеличиться в ~2 раза. Значение твердости может колебаться, так как значение пластической деформации и глубина ее зависят от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, геометрии режущего инструмента и режима резания.

После перемещения резца относительно обработанной поверх­ности происходит упругое восстановление поверхностного дефор­мированного слоя на величину hy (рис. 4.13, а)—упругое после­действие. В результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней по­верхностью резца. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше значение упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента делают задние углы (α и α1), значения которых зависят от степени упругой деформации металла заготовки.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно разделить на три зоны (рис. 4.13, б): I — зона разрушенной струк­туры с измельченными зернами, резкими искажениями кристал­лической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует обязательно удалять при каждой последующей обработке поверх­ности заготовки; // — зона наклепанного металла; /// — основной металл. В зависимости от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки (например: пла­стичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые) и режима резания глубина наклепанного слоя составляет несколько миллиметров при черновой обработке и сотые и тысячные доли миллиметра при чистовой обработке.

Наклеп обработанной поверхности можно рассматривать как полезное явление, если возникают остаточные напряжения сжатия. Однако наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на процесс резания при чистовой обработке, когда срезаются тонкие стружки. В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной твердостью, что приводит к его быстрому затуплению, шероховатость поверхности увеличивается.

Физико-механические свойства поверхностного слоя оцени­вают глубиной hд и степенью Un «наклепа» (деформационного упрочнения), величиной и знаком остаточ­ных напряжений, микроструктурой, плотностью дислокации, концентрацией вакансий и другими характеристиками.

Под степенью наклепа понимается отношение

Uн = (Hmax – Ho)/Ho * 100%,

где Hmax —микротвердость обработанной поверхности (см. рис. 4.13,б),

Но — микротвердость ненаклепанного (исходного) материала заготовки.

Градиент наклепа:

Uгр = Hmax – Ho/hн,

Изменение степени пластической деформации срезаемого слоя при увеличении скорости резания вызывает соответст­вующее изменение и наклепа обработанной поверхности. При более высоких скоростях резания глубина наклепа снижается.

При износе задней поверхности инструмента возрастают силы и поэтому увеличивается наклеп поверхностного слоя. Степень наклепа очень сильно зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Нержаве­ющие, жаропрочные стали и другие пластичные материалы обладают большой склонностью к наклепу. (Рис.4.14).

Рис. 4.14 - Характер распределения микро­твердости в поверхностном слое детали из нержавеющих сталей

Возникающая в зоне деформации теплота может повысить локальную температуру поверхностного слоя. При температуре (0,2...0,3) Тпл. возникает «отдых» (полигонизация); при тем­пературах более 0,4 Тпл. возможны рекристаллизация и снятие деформированного упрочнения.