3.2. Напряженное состояние поверхностного слоя детали

Если процесс снятия стружки лезвийным инструментом явля­ется финишной операцией, то напряженное состояние в поверхно­стном слое детали определяется контактными процессами на зад­ней поверхности режущего клина. Величина и знак напряжения оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Показателями состояния поверхностного слоя де­талей являются глубина залегания напряжений, степень наклепа и глубина наклепанного слоя.

Остаточные напряжения возникают как под влиянием сил, действующих на передней поверхности режущего клина, так и, прежде всего, от сил на задней поверхности. Остаточные напряже­ния могут быть сжимающими и растягивающими. Последние осо­бенно опасны, так как снижают усталостную прочность материала детали и, как следствие, могут образовывать микротрещины на обработанной поверхности. Кроме того, остаточные напряжения вызывают деформации деталей, полученных обработкой резанием.

На рис. 3.3, а схематично показана эпюра изменения оста­точных напряжений а в зависимости от глубины Δ их залегания, характерная для пластичных материалов.

Рис. 3.3. Эпюры изменения остаточных напряжений σ (а)

и микро­твердости Н_М (в) в зависимости от расстояния Δ от обработанной поверхности

Здесь в очень тонком поверхностном слое, толщиной 0,001…0,004 мм (зона I), действу­ют сжимающие напряжения со знаком «минус». В зоне II дейст­вуют растягивающие напряжения со знаком «плюс». Это основная, наиболее протяженная по глубине залегания остаточных напряже­ний зона, на порядок большая зоны I. В зоне III действуют уравновешивающие сжимающие напряжения со знаком «минус».

На величину и знак остаточных напряжений σ, а также глуби­ну их залегания Δ определяющее влияние оказывают толщина сре­заемого слоя а, скорость резания v, передний угол γ, характер и степень износа режущего инструмента.

С ростом толщины среза а увеличиваются растягивающие на­пряжения и глубина их залегания Δ; с ростом скорости резания v увеличиваются растягивающие напряжения, но снижается глубина их залегания Δ, и наоборот; при переходе от положительных передних углов к отрица­тельным (до γ = -15°) растягивающие напряжения резко снижают­ся, но увеличивается глубина их залегания Δ.

При лезвийной обработке хрупких материалов действуют сжимающие остаточные напряжения, а при шлифовании из-за высо­ких температур остаточные напряжения всегда растягивающие [3]. Под степенью наклепа понимают отношение

(3.4)

где H_МН – наибольшая микротвердость наклепанного слоя; Н_МС – микротвердость ненаклепанного слоя (см. рис. 3.2, а).

Степень наклепа ΔН_М и глубина наклепанного слоя Δ_Н зависят от степени деформации срезаемого слоя, от сил, действующих на режущем клине, глубины срезаемого слоя а, переднего угла γ, ха­рактера и степени износа режущего инструмента, и особенно от склонности обрабатываемого материала к упрочнению. Так, на­пример, при точении жаропрочного сплава увеличение подачи от S = 0,05 до 0,6 мм/об увеличивает толщину наклепанного слоя Δ_Н от 0,09 до 0,155 мм, а степень наклепа ΔН_М от 23 до 37 %. Увели­чение переднего угла γ от -60 до 30° уменьшает глубину накле­панного слоя Δ_Н от 0,24 до 0,1 мм, а степень наклепа ДЯм от 42 до 35 % [3]. Рост износа инструмента увеличивает степень наклепа ΔН_М и глубину наклепанного слоя Δ_Н, а рост скорости резания v, наоборот, снижает эти величины.