2 Лекция
Качество поверхности деталей.
В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренней части. Качество поверхности определяется геометрией поверхности как границей тела и физико-химическими свойствами, обусловленными процессом ее образования при обработке детали.
Качество поверхности деталей машин влияет на такие их служебные свойства, как сопротивление усталости, износо-, коррозие-, и эрозионную стойкость.
Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геометрической формы, именуемые погрешностями. Погрешности подразделяют на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности и шероховатость поверхности.
l – шаг волны;
HВ – высота волны.
Рис. 1.1 – Схема волнистости поверхности.
Например, круговой цилиндр может иметь: овальность, огранку, бочкообразность, конусность, криволинейность оси. У плоских поверхностей возможны выпуклость, вогнутость и т.п. Возникновение таких погрешностей происходит в основном из-за неточностей станка, на котором происходит обработка детали.
Под волнистостью поверхности понимают совокупность более или менее повторяющихся возвышений и впадин с шагом волны, значительно превышающим ее высоту.
Волнистость в направлении главного движения при резании называют продольной, а в перпендикулярном направлении – поперечной. От шероховатости волнистость поверхности отличается значительно большим шагом: нередко бывает, что высота волны при чистовом точении доходит до 15 мкм при шаге до 14 мм.
Реальная поверхность не является гладкой, она имеет неровности: выступы и впадины с относительно малым расстоянием между ними. Эти неровности, образующие в совокупности рельеф поверхности, называют шероховатостью или микронеровностью. Шероховатость является следствием наличия зазубрин на кромке резца металлорежущего инструмента. Также как и волнистость, она может быть продольной и поперечной. Шероховатость – размерная характеристика. ГОСТ предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных – Ra, Rz и Rmax, два шаговых – S и Sm и относительная опорная длина профиля tp. Все эти характеристики можно определить, имея профилограмму поверхности, представляющую собой поперечное сечение поверхности. Одна из таких профилограмм представлена на рисунке 1.2.
Рис. 1.2 – Параметры шероховатости поверхности
Шероховатость обработанной поверхности обусловлена не только геометрией процесса резания, а и пластическими деформациями материала при этом процессе, и вибрацией инструмента. Например, при точении пластичных материалов наблюдается следующее. При скоростях резания 1…2 м/мин образуется стружка скалывания. Она легко отделяется при малом тепловыделении и без заметной пластической деформации обработанной поверхности. Микронеровности незначительны, а форма их впадин близка к форме вершины резца. При увеличении скорости резания до 20…30 м/мин изменяется характер стружкообразования и шероховатость поверхности возрастает. Рост скорости резания сопровождается повышением температуры в зоне резания и значительным давлением. Это давление вызывает пластическое течение, как в отделяемом металле, так и в заготовке выше и ниже линии реза (Рис 1.3).
В процессе резания стружка обтекает вершину резца. Наиболее удаленный от резца слой стружки имеет скорость, близкую к скорости резания, а слой, непосредственно соприкасающийся с передней гранью резца, подвержен сильному тормозящему действию сил трения. В итоге слои, наиболее близкие к передней грани резца, прилипают к ней, и образуют застойную зону или нарост на лезвии инструмента. Металл начинает течь по наросту. В процессе резания к наросту привариваются новые слои, пока он не достигнет максимально возможных размеров в данных условиях. Вершина нароста, выступая впереди лезвия инструмента, режет металл, оставляя глубокие борозды на обрабатываемой поверхности.
1 – основная структура обрабатываемого металла;
2 – зона пластической деформации;
3 – стружка;
4 – пластически деформированный поверхностный слой;
5 – инструмент (резец).
Рис 1.3 – Образование деформированного слоя
Время от времени вершина нароста обламывается и уносится частично со стружкой, а частично вдавливается в обработанную поверхность. Далее процесс образования нароста повторяется. Для углеродистой стали нарост имеет максимальную высоту и стойкость при температуре около 200°С. При превышении этой температуры прочность нароста снижается и он разрушается при меньшей высоте. При скорости резания более 80 м/мин нарост не образуется (Рис. 1.4).
Рис. 1.4 – Высота неровностей в зависимости от скорости резания стали 45.
Отсутствие нароста не означает, что действительный профиль обработанной поверхности будет совпадать с теоретическим. Пластическое течение материала в зоне резания вызывает дополнительное увеличение высот неровностей. Кроме того, перемещение задней грани инструмента по свежеобразованной поверхности, не успевшей покрыться слоем оксидов, сопровождается задирами, играющими существенную роль в образовании дополнительных неровностей. Таким образом, при механической обработке деталей в их поверхностном слое происходят изменения механических свойств и структуры металла под давлением режущего инструмента и под влиянием выделяющейся теплоты. Кроме того, в деталях развиваются остаточные напряжения.
Остаточными напряжениями называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих напряжений обусловлено неравномерным распределением температуры по объему тела. Они появляются, если при резании температура превысит температуру перехода из упругого состояния в пластическое, и могут быть либо растягивающими, либо сжимающими.
Пластическая деформация, в том числе и при резании металлов, приводит к изменению микроструктуры. Беспорядочно расположенные зерна кристаллов при пластической деформации приобретают однородную ориентацию (текстуру). Если металл склонен к закалке, то могут быть существенные изменения, связанные со структурными и фазовыми превращениями. В приповерхностных областях могут появиться метастабильные структуры типа мартенсита и структуры его отпуска из-за высокой скорости нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности.
В случае холодной пластической деформации металла повышаются его твердость и предел прочности при одновременном снижении показателей пластичности. Это явление называется наклепом (нагартовкой). При резании металлов протекают два противодействующих процесса: упрочнение, которое тем больше, чем больше давление резания, и разупрочнение – т.е. снятие наклепа за счет повышающейся температуры резания. Степень наклепа и толщина наклепанного слоя зависят от режима резания.
Качество поверхности деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Глубина поверхностного слоя и качество поверхности зависят от основного материала, вида обработки, основных параметров инструмента, режима обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.
Поверхностный слой неоднороден по строению (Рис. 1.5)
Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости. Слой 2 – деформированный, сильно раздробленный металл, с обезуглероженными участками; в нем находятся оксиды, нитриды, пустоты, надрывы и трещины. Слой 3 состоит из зерен, деформированных под действием рабочего инструмента (шлифовального круга); в нем содержится структурно свободный цементит, образовавшийся под действием высоких температур. Слой 4 – металл с исходной структурой.
Рис. 1.5 – Структура поверхностного слоя детали из углеродистой стали.
Если исключить адсорбированную пленку, то поверхностных слой состоит из наружного, очень тонкого слоя разрушенных зерен металла и наклепанного слоя. Упрочнение поверхностного слоя можно оценить путем замера микротвердости по сравнению с исходной. Толщина упрочненного слоя может достигать 0,2…2,0 мм.
Микроскопическая неоднородность физико-механических свойств характерна для всякого твердого тела. В металлах она обязана анизотропии кристаллов. Обработанная поверхность имеет много микроскопических дефектов в виде трещин и пустот. Кроме того, дефекты структуры могут иметь и атомный характер (например «дырки» в кристаллической решетке). Система дефектов является основой, на которой развиваются микротрещины. Также следует ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах. По мере износа поверхности слабые места будут возникать вновь.