11.Показатели качества поверхностного слоя.

Комплексные показатели качества поверхностного слоя Qi и Qi формируются в ходе выполнения конкретных технологических маршрутов обработки контактирующих поверхностей деталей. 

Важнейшими показателями качества поверхностного слоя детали является степень и глубина наклепа поверхностного слоя. Наиболее чувствительным методом наблюдения за физико-механическим состоянием поверхностного слоя является оценка дислокационной структуры поверхностного слоя. Метод оценки дислокационной структуры поверхностного слоя деталей после механической обработки является структурно-чувствительным. 

Основными параметрами качества поверхностного слоя деталей после механической обработки металлическим или абразивным инструментом является шероховатость поверхности, глубина и степень наклепа и технологические макронапряжения

Иногда в качестве поверхностного слоя применяют свинцовые баббиты. 

Основным методом определения качества поверхностного слоя является измерение микротвердости и толщины наклепанного слоя. 

Перспективным методом повышения качества поверхностного слоя инструмента является алмазное выглаживание. Алмазное выглаживание протяжек производят на токарных станках обычной точности алмазным выглаживателем с радиусом сферы 1 2 мм, закрепленным в пружинной оправке, после предварительной заточки и шлифования зубьев по задней поверхности до нарезания стружкоделительных канавок. Выглаживание ведут напроход с подачей, направленной от затылка зуба к режущей кромке: при выходе алмазный индентор деформирует режущую кромку.

Суперфиниширование применяют для улучшения качества поверхностного слоя и удаления дефектов, возникших на предыдущих операциях. При обработке лезвийным инструментом или шлифованием на поверхности остается дефектный слой, вызванный сильной деформацией металла и действием высокой температуры. Суперфиниширование, выполняемое на мягких режимах, приводит к удалению дефектного слоя и увеличению износостойкости обработанной поверхности. Кроме того, суперфиниширование очищает поверхность от внедренных в нее при шлифовании обломков абразивных зерен. Применяя данный процесс, можно повысить размерную точность деталей и получить зеркальную поверхность.

12.Геометрические причины образования шероховатости.

Шероховатостью поверхности называется совокупность микронеровностей, образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участка, длина которого равна базовой длине.

Все причины возникновения шероховатости можно разбить на 3 группы:

1. Расположение режущих кромок инструмента, относительно обрабатываемой поверхности;

2. Упругая и пластическая деформация обрабатываемого металла;

3. Вибрации в технологической станочной системе.

Образование неровностей на обработанной поверхности можно представить как след от движения режущих кромок инструмента. Назовём такой профиль регулярным.На образование регулярного профиля влияет геометрия резца, в частности – углы в плане, а так же величина подачи S. Их влияние описывается формулой 

В реальном процессе резания впереди резца и под обработанной поверхностью образуется зона пластической деформации, которая вносит некоторую погрешность в регулярный профиль. Пластически деформированный металл в отдельных местах как бы наволакивается на микронеровности, а в где-то вырываются отдельные куски металла. Потому реальное значение Rz может быть записано как: 

где  - приращение высоты микронеровностей, вызванное пластической деформацией металла. Следовательно, чем меньше пластическая деформация, тем меньше высота микронеровностей. Величина пластической деформации зависит, в большей степени, от твёрдости обрабатываемого материала и, в меньшей — от глубины резания — t.

При обработке хрупких материалов, например, чугуна, наблюдается вырывание из основного металла отдельных частиц по граням зерен, что также сказывается на увеличении высоты микронеровностей.

Значительное ухудшение чистоты поверхности происходит при образовании нароста на резце. Нарост, как известно, время от времени то образуется, то срывается, прилипая к обработанной поверхности; наличие же "ложного носика" периодически меняет как условия резания, так и форму вершины резца. Это, в свою очередь, вызывает изменение формы следа резца, что приводит к увеличению микронеровностей.

Кроме вышеперечисленных факторов на величине микронеровностей сказывается неполная прямолинейность движения суппорта, непостоянная деформация всей системы

13 влияние режимов резания на шероховатость поверхности. При обработке резанием величина, форма и направление микронеровностей зависят от методов, режимов и схемы обработки. Из параметров режимов резания наиболее существенное влияние на величину шероховатости поверхности оказывают скорость резания и подача инструмента. Влияние скорости резания на шероховатость поверхности зависит от наростообразования на режущей кромке инструмента, а также от захвата и отрыва слоев, расположенных под режущей кромкой резца. При высоких скоростях резания величина шероховатости начинает увеличиваться в связи с возникновением колебаний в зоне резания. Колебания ухудшают шероховатость поверхности. Зависимость высотных параметров шероховатости поверхности от скорости резания имеет выраженный минимум, соответствующий зоне устойчивого резания, когда отсутствуют наростообразование и колебание технологической системы. В этой зоне скоростей резания и рекомендуется проводить обработку.В зонах неустойчивого резания наблюдается большая разница между параметрами Ra и Rz и изменения их соотношения, в зоне устойчивого резания это соотношение минимально и остается постоянным. Опираясь на это соотношение можно судить об устойчивости процесса резания.Параметры шероховатости поверхности от размерного износа резца практически не зависят до определенного момента. При появлении на задней грани резца четко различимой фаски шероховатость резко ухудшается. Момент резкого ухудшения шероховатости можно считать границей стойкости инструмента при чистовом точении.

14 Методы измерения шероховатости. Оценка шероховатости может производиться двумя способами: либо поэлементно, путем сравнения отдельных параметров, либо в комплексе, используя сравнительный анализ исследуемого образца с эталоном. Наиболее точным, на момент написания статьи, является поэлементный способ, который может быть осуществлен различными методами определения шероховатости:

1) Щуповой метод измерения шероховатости поверхности - это контактный метод, измерения при котором производятся при помощи профилометра. Профилометр представляет собой чувствительный датчик, оборудованный тонкой, остро заточенной алмазной иглой, с так называемой, ощупывающей головкой. Исследование поверхностней щуповым методом производится в несколько этапов: так, сначала профиль исследуемого объекта «ощупывается» несколько раз, а только затем, на основании серии измерений вычисляется усредненное значение параметра, характеризующегося как количественное выражение неровности относительно длины участка. Оптический метод - это бесконтактный метод измерения шероховатости, который состоит из целой группы методов. Самые распространенные из них - это:

- метод светового свечения и теневой метод,

- микроинтерференционный метод,

- растровый метод.

Также, следует выделить отдельно метод слепков, который применяется для оценки шероховатости различных труднодоступных поверхностей, а также поверхностей, обладающих сложным строением. Метод слепков, представляет собой снятие негативных копий поверхности при помощи воска, парафина или гипса, а также последующее их изучение щуповым или оптическим методом. Таким образом, метод слепков - это не самостоятельный метод, а лишь метод связанный с подготовкой к измерению. Он применим только совместно с одним из способов измерения шероховатости.

15 Упрочнение поверхностного слоя металла. Методы определения степени и глубины деформационного упрочнения. Поверхностная закалка При поверхностной закалке нагревают и охлаждают только поверхностные слон детали, поэтому изменяется структура только этих слоев. В результате такой термической обработки получаем деталь, у которой поверхностные слои очень твердые, а сердце­вина - пластичная и вязкая. Это основное преимущество поверх­ностной закалки но сравнению с закалкой при сквозном нагреве (вследствие пластичной сердцевины уменьшается хрупкость де­тали). При поверхностной закалке поверхность детали почти не окисляется, так как процесс осуществляется быстро и деформация детали уменьшается в связи с нагревом и охлаждением только наружных слоев.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее эффективных методов упрочнения поверхности деталей для по­вышения их долговечности. Химико-термической обработкой на­зывается процесс, при котором происходит изменение химичес­кого состава, структуры н свойств поверхностных слоев металла. Цель химико-термической обработки: повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости и др.

Азотирование. Азотированием называют процесс насыщения поверхности стали азотом. Назначение азотирования - получить высокую твердость и износостойкость поверхности детали, повысить предел выносли­вости (прочностное азотирование) пли повысить стойкость против коррозии (антикоррозионное азотирование). Твердость и толщина азотированного слоя зависят от температуры и продолжительности азотирования. В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностное дорнование и др.

Способ определения глубины упрочненного наклепом поверхностного слоя, заключающийся в том, что из детали с упрочненным поверхностным слоем вырезают плоский образец так, чтобы плоскость реза пересекала поверхностный слой детали, подвергают образец термической обработке, шлифуют и полируют плоскость реза и проводят ее металлографический анализ, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения номенклатуры исследуемых материалов путем определения глубины наклепа алюминиевых сплавов, в качестве термической обработки используют отжиг в течение 1-3 ч при температуре, равной нижнему пределу температуры закалки материала образца Т „ +15 С.

Вопрос 16 Причина образования остаточных напряжений Осн. причиной возникновения остаточного напряжения является неоднородность деформированного состояния ввиду различного изменения длины (объема) в разных зонах тела. Причиной появления этой неоднородности может быть: температурный градиент, напр. при резком нагреве или охлаждении (термические или температурные напряжения); неоднородность теплового расширения разных структурных или конструктивных составляющих тела (гетерогенные структуры, биметаллы и др.); фазовые превращения (фазовые напряжения); неоднородность пластич. деформации (остаточное напряжение после поверхностного наклепа).

Вопрос 17 Причина возникновения остаточных напряжений при силовом воздействии, а также при резании малопластичных материалов. Значительные остаточные напряжения могут возникать после механической обработки (точения, фрезерования, шлифования и др.). Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра. Возникновение остаточных напряжений связано с пластической деформацией при воздействии режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся теплотой резания. При силовом воздействии инструмента возникает пластическая деформация растяжения, и после снятия этого воздействия в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.

При обработке малопластичных материалов, при которой формируются остаточные напряжения сжатия, повышение скорости резания приводит к уменьшению сжимающих и даже образованию растягивающих напряжений

Вопрос 18 Причины образования остаточных напряжений при обработке пластичных материалов. При обработке пластичных материалов в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения. Повышение скорости резания приводит к дополнительным тепловым растягивающим напряжениям, повышающим общее напряженное состояние поверхностного слоя. При обработке пластичных сталей и сплавов, воспринимающих закалку, при повышении скорости резания выделяющегося тепла может оказаться достаточно для закалки поверхностного слоя. Увеличение удельного объема металла в поверхностном слое при его закалке приводит к появлению и росту остаточных напряжений сжатия, а увеличение скорости резания – к росту величины и глубины их распространения.

19.Причины возникновения остаточных напряжений в процессе резания материала от воздействия температуры. В отличие от временных напряжений (напряжение внутреннее), остаточное напряжение сохраняются во времени Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным градиентам и температурным напряжениям, которые могут превосходить предел текучести материала. После установления нормальной температуры в поверхностных слоях детали происходит деформация сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои. В результате в поверхностных слоях появляются растягивающие остаточные напряжения, а в нижележащих — напряжения сжатия, уравновешивающие растягивающие напряжения. В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Поэтому в поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхности со стороны внутренних слоев, т.е. к образованию растягивающих остаточных напряжений.

Изменение условий шлифования, приводящее к повышению температуры резания, приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напряжений сжатия.

21 вопрос Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода — макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали. Напряжения 2-го рода — микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен. Напряжения 3-го рода — субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла. Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в

металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50…200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.