11.2 Влияние способов и условий обработки

на шероховатость поверхности

Все многообразные причины, обуславливающие шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы: причины, связанные с геометрией процесса резания; причины, связанные с пластической деформацией обрабатываемого материала; вибрации инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

С геометрической точки зрения высота, форма и расположение шероховатостей определяются формой и состоянием формообразующих элементов инструмента и теми элементами режима обработки, которые влияют на изменение траектории его движения относительно заготовки.

При точении резец описывает относительно оси вращения заготовки винтовую линию с шагом, равным подаче s. В осевом сечении обработанной поверхности образуются гребешки, высота которых зависит от подачи s и углов в плане φ и φ₁, радиуса закругления режущей кромки резца r (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Схема токарной обработки вала

При достаточно подаче высота неровностей (шероховатости) H зависит уже только от r и s. Зависимость «геометрической» шероховатости высотой Н от подачи s показана на рис. 11.3,а.

а б

Рис. 11.3. Влияние режимов резания на шероховатость поверхности

При торцовом фрезеровании высота микронеровностей R_z зависит не только от подачи на один зуб фрезы s_z, но и от торцового биения режущих кромок фрезы. В данном случае вершины не6ровностей касаются не прямой линии, а синусоиды с шагом s = s_z · z (где z – число зубьев фрезы).

При обработке резанием в подповерхностном слое протекают два процесса: пластическое деформирование и упругое восстановление (зоны I и II на рис. 11.1). Эти процессы приводят к увеличению шероховатости.

На рис. 11.3, а кривая 1 отражает влияние подачи на высоту микронеровностей R_z. Экспериментально установлено, что при подачах от 0,02 до 0,1 мм/об шероховатость поверхности R_z при точении конструкционных сталей практически остается постоянной (кривая 2 на рис. 11.3, а). Неровности поверхности в этом случае образуются не столько под влиянием геометрических причин, сколько в результате пластических и упругих деформаций. При очень малых подачах R_z может увеличиваться вследствие потери устойчивости движения суппорта, который начинает перемещаться не плавно, а рывками.

Существенное влияние на пластические деформации в подповерхностном слое оказывает скорость резания (рис. 11.3, б, кривая 1). При скоростях резания до 40 м/мин происходит образования нароста на резце (приваривание мельчайших частиц обрабатываемого материла к режущей кромке резца). Наросты на резце увеличивают радиус закругления резца и, естественно, ухудшают условия резания, что формирует обработанную поверхность с более высокой высотой микронеровностей R_z. По мере увеличения скорости резания более 40 м/мин, процесс наростообразования на резце уменьшается, так как при увеличении скорости ускоряется процесс отвода стружки из зоны резания. Уменьшение наростообразования ведет к снижению шероховатости обрабатываемой поверхности (рис. 11.3, б, кривая 1). При скоростях резания более 80 м/мин наростообразования на резце не происходит и шероховатость поверхности уменьшается. Применение смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) снижает значение R_z, но при этом сохраняется характер зависимости R_z=f (V) (рис. 11.3, б, кривая 2). При увеличении скорости резания сверх определенного критического значения шероховатость обрабатываемой поверхности R_z остается неизменной. Значение критической скорости зависит от подачи. Например, при обработке конструкционных сталей характерны следующие соотношения между s и V_кр:

s, мм/об 0,1 0,2 0,3 0,4

V_кр, м/мин 190 145 105 92

Вибрации (вынужденные и автоколебания), сопровождающие процесс резания, обычно увеличивают шероховатость обработанной поверхности. Например, увеличение амплитуды осевых (параллельных подаче)колебаний от нуля до 0,2 мм значение параметра R_z при точении увеличивается с 5 до 38 мкм.

При шлифовании в режиме полного самозатачивания параметр R_a увеличивается пропорционально увеличению номера зернистости абразивного материала шлифовального круга. Чем мельче зерна , тем меньше их разновысотность и расстояние между ними. Изнашивание шлифовального круга после его приработки ведет к увеличению параметра шероховатости R_a. Основной причиной этого является неравномерность износа в процессе приработки круга. На поверхности шлифовального круга образуются волны, амплитудой до 15 … 25 мкм. Эти волны вызывают высокочастотные радиальные колебания, которые и увеличивают параметр шероховатости R_a. Окончательно шероховатость поверхности при шлифовании формируется в конце шлифования на этапе выхаживания. Однако, если время выхаживания превышает некоторый оптимальный уровень τ_опт, то дальнейшее выхаживание не дает эффекта (рис. 11.4, а). Наоборот, при очень малых значениях силы резания Р_у процесс шлифования часто становится неустойчивым, возникают автоколебания, ведущие к увеличению шероховатости.

а б

Рис. 11.4. Влияние время выхаживания (а) и дисбаланса шлифовального круга (б)

на параметр шероховатости R_a

При шлифовании основной причиной образования шероховатости поверхности являются вибрации. Характер влияния вибраций, вызванных дисбалансом шлифовального круга определяется жесткостью j₁ и j₂ технологической системы. При более высокой жесткости j₂ увеличение шероховатости происходит более плавно, чем при меньшей жесткости j₁ (рис. 11.4, б).

На параметры шероховатости поверхности детали при обработке методами поверхностно-пластического деформирования (ППД) существенное влияние оказывает давление в зоне контакта инструмента и детали, продольная подача форма и размеры деформирующего элемента, исходная шероховатость обрабатываемой поверхности и физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки.

С увеличением нормальной силы Р при раскатывании и обкатывании параметр R_a уменьшается, но это уменьшение происходит до определенного значения при оптимальной силе Р_опт (рис. 11.5, а). При увеличении твердости и снижении пластичности обрабатываемой детали величина силы Р_опт возрастает. Следует заметить, что хотя сила Р является основным параметром, по которому разрабатываются практические рекомендации по режимам обкатки, в сущности эффективность процесса обкатки зависит от среднего давления Р_ср на поверхности контакта, которое может быть различным при одной и той же силе Р (рис.11.5, б). Оптимальное давление р_опт несколько возрастает с увеличением твердости материала детали. Однако, это возрастание зависит от свойств обрабатываемого материала.

а б

Рис. 11.5. Влияние силы Р (а) и давления р в зоне контакта (б) на параметр Ra

при обработке обкатыванием материалов разной твердости

1 – твердость НВ₁; 2 – твердость НВ₂ (НВ₁ <НВ₂)

Так, если при обкатывании поверхности детали, изготовленной из стали 20 оптимальное давление (1,7 кПа) достигается при Р = 650 Н, то при обкатывании детали из стали У8 оптимальное давление равное 2 кПа, достигается при нагрузке Р = 1350 Н. При обкатывании закаленных сталей, имеющих твердость 58 … 62 HRC р_опт = 2,6 … 2,8 кПа. Давление р зависит не только от силы Р, но и от радиусов кривизны обкаточного инструмента и заготовки вместе их контакта.