8.3. Физико-механические свойства поверхностного слоя материала

Упрочнение поверхностного слоя.В удаляемом слое металла под воздействием режущего инструмента происходят особенно интенсивные пластические деформации, обусловливающие отделение его от основной массы детали и переход в стружку. Менее интенсивные пластические деформации проникают и за линию среза, т.е. под обработанную поверхность детали.

Режущий инструмент никогда не является абсолютно острым, т.е. его передняя и задние поверхности фактически сопрягаются по цилиндрической поверхности, образующую которой условно можно представить дугой окружности радиуса (рис. 8.3). Величина называется радиусом округления режущих кромок инструмента.

Рис. 8.3. Сопряжение передней и задней поверхностей лезвия инструмента

Процесс удаления материала инструментом с радиусом округления показан на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Схема процесса резания инструментом с радиусом округления режущей кромки

В момент первоначального врезания инструмента в деталь соприкосновение вершины инструмента с деталью происходит в точке С, на горизонтальной линииОС(позицияI).

По мере врезания инструмента точка наибольших напряжений понижается и при установившемся процессе резания переходит в точку соприкосновения линии сдвига с дугой окружности С_о (позиция II). Срезаемый слой материала переходит в стружку в той части, которая лежит выше линии С_оЕ. В процессе резания металлов зерна в поверхностном слое вытягиваются в направлении действия силы резания. Подобная ориентировка мелких зерен, вытянутых по направлению деформации, называется текстурой. Часть металла, расположенная ниже линии С_оЕ, сдавливается инструментом и в значительной части пластически деформируется, т.е. вызывает наклеп поверхности, за счет чего последняя упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность. Степень наклепа (упрочнение обработанной поверхности) в процессе резания определяется обычно отношением возрастания микротвердости поверхностного слоя Н_п металла к микротвердости основного металла (сердцевины) Н_с (в процентах):

. (8.3)

В зоне образования нароста глубина наклепа возрастает с увеличением нароста и уменьшается с его снижением.

Объяснить влияние различных параметров резания на степень наклепа и глубину его распространения можно следующим образом.

Остаточные напряжения в поверхностном слое металла.Остаточными называют напряжения в поверхностном слое деталей, которые существуют при отсутствии каких-либо внешних воздействий, например температурных или силовых. При обработке резанием и вызванных им пластических деформациях металла уменьшается его плотность и соответственно увеличивается удельный объем примерно на 0,3...0,8 % от исходного значения.

Предлагается следующая схему формирования остаточных напряжений в прцессе лезвийной обработки. При трении задней поверхности инструмента об обработанную поверхность в поверхностных слоях возникает пластическая, а ниже – упругая деформация растяжения. По мере пермещения режущего клина и снятия нагрузки упругорастянутые слои стремятся возвратиться в исходное состояние, но этому препятствуют пластически деформированные слои. В результате внутренние области оказываются частично растянутыми, а в поверхностных слоях возникнают остаточные напряжения сжатия.

Остаточные напряжения могут возникнуть также в связи с локальным нагревом поверхности обрабатываемой детали.

Под действием теплового фактора поверхностные слои стремятся удлиниться, но этому препятствуют более холодные слои, расположенные в глубине металла, и в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. При охлаждении наблюдается обратная картина с образованием растягивающих напряжений. Результирующую эпюру напряжений можно рассматривать как результат одновременного воздействия силового и теплового факторов (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема распределения остаточных напряжений при резании пластичных металлов

При обработке резанием металлов, склонных к фазовым превращениям, нагрев в зоне резания вызывает структурные превращения, связанные, кристаллической решетки металла. В этом случае в слоях со структурой, имеющей больший удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой, которой меньший удельный объема развиваются остаточные растягивающие напряжения.