43.Наростообразование и упрочнение при обработке резанием.

Наростообразование при резании

При резании пластичных материалов (сталь, латунь) происходит явление, получившее название наростообразования, когда на передней поверхности резца у режущей кромки образуется плотное скопление частиц металла, прочно укрепляющееся на передней поверхности инструмента. Образование нароста объясняется тем, что при некоторых условиях обработки (высокие давления, значительные температуры в зоне контакта стружки с резцом) силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при определенных температурных условиях металл прочно оседает на передней поверхности инструмента. Размеры и форма нароста постоянно меняются. Он периодически разрушается, уносится стружкой и образуется вновь.

Рис.5. Схема образования нароста

Металл нароста деформирован, и твердость его значительно (иногда в 2-3 раза) превосходит твердость обрабатываемого металла.

Угол резания на наросте меньше угла резания на резце , вследствие этого несколько уменьшаются затраты мощности на резание. Нарост защищает вершину резца и режущую кромку от преждевременного изнашивания. Точность и качество обработки поверхностей при наросте ухудшаются. Возрастает шероховатость поверхностей. Поэтому при черновой обработке, где качество поверхности не имеет особого значения, нарост благоприятно влияет на резание, а при чистовой обработке, когда качество обработанной поверхности важно, образование нароста вредно и его следует избегать.

Установлено, что интенсивность образования нароста в значительной степени зависит от скорости резания. Наибольшее наростообразование имеет место при скоростях резания 18-30 м/мин, а при скоростях резания до 10-12 м/мин и более 50-70 м/мин нарост на режущем инструменте практически не образуется. Поэтому чистовую обработку выполняют на повышенных скоростях резания.

С увеличением подачи S размеры нароста увеличиваются. Поэтому при чистовой токарной обработке рекомендуются подачи 0,1 - 0,2 мм/об.

Глубина резания t существенного влияния на размеры нароста не оказывает.

С увеличением угла резания нарост увеличивается. Применение СОЖ уменьшает нарост.

При прерывистом резании (строгание, фрезерование) нарост обычно не удерживается на режущей кромке.

Металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение и состоят из большого числа беспорядочно ориентированных и разных по размерам кристаллических зерен, которые, врастая друг в друга, образуют прочное механическое соединение. Поэтому поверхность поликристаллического металла представляет скопление связанных переходным слоем кристаллов и их обломков с различной ориентацией.

При обработке деталей под действием сил резания в поверхностном слое металла происходит его упруго-пластическое деформирование.

Пластическая деформация распространяется на определенную глубину металла, расположенного под обработанной поверхностью, и сопровождается скольжением, т.е. перемещением отдельных частей кристаллов по определенным кристаллографическим плоскостям.

При пластической деформации происходит возникновение и концентрация дислокации (нарушение в отдельных местах правильного строения кристаллической решетки) около линий сдвигов. Поскольку дислокации окружены полями упругих напряжений, для последующих деформаций потребуется значительно большее усилие, чем в недеформированном металле. Это связано с необходимостью преодоления сопротивления полей напряжений. Следовательно, при резании пластическая деформация вызывает наклеп поверхности, за счет чего последняя упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность.

Повышение прочности и твердости пластически деформированного при обработке резанием металла по сравнению с его исходным состоянием рассматривают как упрочнение поверхностного слоя или наклеп.

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяются следующими факторами:

1) степенью наклепа

,

где Hн – микротвердость наклепанного слоя; Ни – микротвердость исходного материала;

2) глубиной наклепа;

3) величиной, глубиной и знаком остаточных напряжений.

В результате трения происходит деформация тонкого поверхностного слоя детали. С износом инструмента площадка контакта на его задней поверхности увеличивается, что приводит к повышению трения и деформации поверхностного слоя. Таким образом, поверхностный слой детали подвергается дополнительной деформации со стороны задней поверхности инструмента за счет сдавливания и трения.

В результате наклепа зерна металла измельчаются, и он становится более прочным и твердым. Если при этом не происходит разрушение материала поверхностного слоя, наклеп может оказывать положительное влияние. Возможно также и разрушение кристаллической решетки, появляются задиры и обрывы на обработанной детали, уменьшается предел усталостной прочности, следовательно, деталь может преждевременно разрушиться.

Наклеп, полученный при черновой обработке, может оказывать отрицательное влияние на процесс резания при чистовой обработке, так как инструмент будет работать по наклепанному слою. Кроме того, наклепанный слой, полученный при черновой обработке, вызывает увеличение коробления стальных деталей при их закалке.

В среднем можно считать, что вследствие наклепа твердость поверхностного слоя в сравнении с первоначальной повышается:

· у алюминия – на 90 – 100 %;

· у латуни – на 60 – 70 %;

· у мягкой конструкционной и аустенитной сталей – на 40 – 50 %;

· у твердой конструкционной стали – на 20 – 30 %.

При доводке большое влияние на степень наклепа оказывает значение радиуса округления зерна абразива. Например, при доводочных операциях стали 45 степень наклепа в зависимости от абразива повышается от 5 до 45 %. Наименьшая степень наклепа получается при доводке алмазными зернами (ρ = 0,9 мкм), а наибольшая – при доводке зернами титанистого электрокорунда (ρ = 1,14 мкм).

При обычных условиях обработки конструкционной стали средней твердости глубина наклепанного слоя в среднем составляет (в миллиметрах):

· при черновой обработке резцом – 0,4 – 0,5;

· при чистовой 0,07 – 0,08;

· при шлифовании 0,04 – 0,06;

· при полировании 0,02 – 0,04;

· при доводке 0,015 – 0,020.

Труднообрабатываемые материалы (жаропрочные, нержавеющие и др.) обладают высокой пластичностью и поэтому при их обработке явление наклепа проявляется в большей мере, чем при обработке конструкционных углеродистых сталей. При неравномерном протекании процесса пластического деформирования высокая упрочняемость обрабатываемого материала может привести к усилению вибраций. Поэтому при обработке подобных материалов необходимо, чтобы система СПИД обладала высокой жесткостью.

На степень и глубину наклепа, а также на величину пластической деформации оказывают влияние:

1) свойства обрабатываемого материала – чем мягче и пластичнее тем выше ;

2) параметры режима резания – с увеличением скорости резания степень и глубина наклепа уменьшаются. Подача влияет на интенсивность образования наклепа в большей мере, чем глубина резания;

3) геометрия инструмента – чем больше угол резания и радиус округления режущей кромки, тем больше ;

4) износ инструмента – с увеличением радиуса округления лезвия повышается пластическая деформация. При работе тупым инструментом глубина наклепа увеличивается вдвое и более;

5) СОТС – уменьшают наклеп.

Термическая обработка – отжиг и нормализация снимают наклеп.