5.2. Влияние механической обработки резанием на свойства детали

Опыт эксплуатации машин подтверждает, что основными факторами, определяющими долговечность машин, являются не только механические свойства материала, из которого изготовлены детали, но и качество поверх­ностного слоя (см. гл. 4, § 4). В процессе механической обработки со сняти­ем стружки происходят физические процессы, которые существенно изме­няют свойства поверхностного слоя. Качество поверхностного слоя детали может характеризоваться геометрическими факторами и физико-механическими свойствами. К геометрическим факторам относятся: макро­геометрия, волнистость и шероховатость, направление штрихов; к физико-механическим - твердость, тонкая кристаллическая структура, наклеп, оста­точные напряжения. Причинами появления неровностей на поверхности об­рабатываемой детали являются: неравномерность самого процесса резания, дисбаланс вращающихся элементов (деталь, патрон и т.п.), копирование неровностей на режущей кромке инструмента и ее движения, оставляющие на поверхности остаточные гребешки, и др.

Геометрические параметры, образующиеся после срезания стружки, оказывают большое влияние на износостойкость, выносливость, сопротив­ление ударным нагрузкам, коррозионную усталость. Впадины микронеров­ностей являются концентраторами напряжений, причем тем больше, чем глубже впадина t и меньше ее радиус r:

, где  - коэффициент концентрации напряжения для процессов механической обработки составляет 1,52,5 . На рис. 5.2 показано влияние величины шероховатости и направления штрихов на износ. С увеличением волнистости эксплуатационные свойства сопряженных деталей ухудша­ются, так как площадь приле­гания поверхностей друг к дру­гу уменьшается, увеличивают­ся контактные напряжения.

В лияние геометрических параметров на усталостную прочность деталей машин осо­бо ощутимо для высококачест­венных сталей. Чем прочнее материал, тем больше сказыва­ется вредное влияние шерохо­ватости на предел выносливости (рис. 5.3).

О днако фактор шерохо­ватости не всегда оказывает преобладающее влияние на предел выносливости детали. Так, дробеструйная обработка детали (см. рис. 5.3, кривая 4), не улучшая чистоту, существенно повышает предел выносливости. Это объясняется по­явлением при дробеструйной обработке наклепа поверхностного слоя, при котором твердость металла в наружных слоях может повыситься в 1,5 раза. При механической обработке в процессе срезания стружки также мо­жет создаваться наклепанный слой глубиной до 0,5мм, который может вли­ять на усталостную прочность детали (рис. 5.4), т.е., управляя процессом резания, можно влиять и на прочность обработанной детали. Как видно из рис. 5.4, с величины переднего угла =-30° фактор шероховатости уже не влия­ет на предел выносливости. Таким образом, в некоторых случаях отпадает необ­ходимость в чистовых отделочных процессах.

Например, грубо обработанные точением торсионные валики дают в два раза пониженную усталостную прочность по сравнению с полированными. Обточка этих валиков резцом с =- 30° приве­ла к тому, что их прочность стала выше прочности полированных валиков.

Анализ напряженного со­стояния металла впереди резца дает возможность установить, что в поверхностном слое обработан­ной поверхности, в завис имости от направления силы резания, могут образовываться как сжи­мающие, так и растягивающие остаточные напряжения (рис. 5.5). Если остаточные напряжения сжатия, складываясь с опасными растягиваю­щими рабочими напряжениями (рис. 4.7), понижают их и за счет этого повышают усталостную прочность валов, например, в 2-3 раза, то остаточные напряжения растяжения могут привести к преж­девременному отказу детали.

Действие остаточных напря­жений следует рассматривать со­вместно с наклепом, так как эти два явления неразрывно сопутствуют один другому.

Рассматривая процесс резания как процесс, влияющий на качество поверхностного слоя, создающий определенные физико-механические свойст­ва этого слоя, необходимо представлять, что процесс резания изменяет свой­ства тонкого поверхностного слоя от 0,05 до 0,25 мм. Такие слои могут вли­ять на ограниченную номенклатуру некрупных деталей с особыми требова­ниями к качеству поверхностного слоя. Для крупных деталей, когда требует­ся упрочнить поверхностный слой 0,55 мм, разработаны и применяются специальные методы упрочнения, которые описаны ниже.

Рис. 5.5. Влияние геометрии резца: _сж, _раст – остаточные напряжения сжатия и растяжения соответственно, h – расстояние от поверхности в глубь детали