13 Шероховатость обработанной поверхности

Все причины образования шероховатости обработанной поверхности можно разбить на три группы, связанные:

1) с положением режущих кромок инструмента относительно обработанной поверхности;

2) упругой и пластической деформацией обрабатываемого материала;

3) возникновением вибраций в технологической станочной системе.

Образование неровностей обработанной поверхности в первом приближении можно представить как след рабочего движения режущей кромки (или кромок) инструмента в поверхностном слое металла (стр. 241) – регулярный профиль. На образование регулярного профиля шероховатости влияет геометрия режущего инструмента, в частности главный и вспомогательный углы в планеи₁, радиус вершины резцаr_ви подачаS.

Исходя из геометрических соотношений расчетная высота неровностей для резца с незакругленной вершиной: Rz_расч=Ssinsin₁/sin(+₁).

Для резца, вершина которого закруглена радиусом r_в(приS>r_в), используется эмпирическая зависимость:Rz_расч=S²/(8r_в), а при тонком точенииRz_расч=, где а_min– минимальная толщина среза: а_min=КS(t/2r_в)^1/2; К – коэффициент, учитывающий уменьшение размеров сечения среза и механические свойства обрабатываемого материала.

Из приведенных формул следует, что чем больше S,и₁, и меньшеr_в, тем высота неровностей больше и наоборот. Указанную шероховатость называют поперечной (ее измеряют в направлении подачи). Одновременно образуется и продольная шероховатость, измеряемая вдоль главного движения инструмента (или детали). Обычно поперечная шероховатость больше продольной, и поэтому она сильнее влияет на эксплуатационные свойства обработанных поверхностей.

В реальном процессе обработки металлов резанием впереди резца и под обработанной поверхностью образуется определенная зона пластической деформации. Это вносит существенные искажения в регулярный профиль поверхности, т.к. пластически деформированный металл в отдельных местах как бы наволакивается, а также вырываются отдельные кусочки металла. Поэтому чем меньше поверхностная пластическая деформация, тем ближе фактический профиль подходит к регулярному.

При затуплении режущего инструмента шероховатость обработанной поверхности возрастает: при точении на 50…60%, фрезеровании цилиндрическими фрезами на 100…115%, фрезеровании торцовыми фрезами на 35…45%, сверлении на 30…40% и развертывании на 20…30%. Это объясняется увеличением пластической деформации металла поверхностного слоя.

Уменьшить пластическую деформацию, а следовательно, и искажения регулярного профиля поверхности можно увеличением переднего угла, а также скорости резания, проведением соответствующей термической обработки металла (например, нормализации или улучшения), применением СОТС и т.д.

14 Остаточные деформации и напряжения в поверхностном слое

При обработке деталей под действием сил резания в поверхностном слое металла происходит его упругопластическое 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. Пластической деформации предшествует упругая, распространяющаяся со скоростью, близкой к скорости звука.

При пластической деформациипроисходит возникновение и концентрация дислокаций (нарушение в отдельных местах правильного строения кристаллической решетки) около линий сдвигов. При резании пластическая деформация вызывает наклеп поверхности, за счет чего последняя упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность.

При наклепенаблюдается снижение электропроводности, теплопроводности и плотности металла, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклепанном металле. В общем случае с увеличением сил резания и продолжительности их воздействия возрастает пластическая деформация поверхностного слоя металла, а следовательно, увеличивается степень его упрочненияNи глубина распространения наклепаh. Так, например, они возрастают с увеличением подачи и уменьшаются с ростом скорости резания (Рис. 248).

Для приближенного расчета глубины наклепа можно пользоваться методом, базирующимся на решении задач теории пластичности. При несвободном резании острым резцом

h=S(1-sin) sin 2/2sin,

где - угол сдвига;- главный угол резца в плане.

Угол сдвига tg =cos/(K_a - sin),

где К_а– коэффициент утолщения стружки;- передний угол резца. Формула сhсправедлива, когда отношениеS/t<0,3.

Установлено, что возможности упрочнения металла за счет его наклепа ограничены, и при чрезмерном пластическом деформировании может образоваться «перенаклеп» металла, что приводит к его разупрочнению. Разупрочнение происходит при исчерпании зернами металла возможности упрочняться. При этом наблюдается его разрыхление, появление трещин, отслаивание и т.д.

Остаточными напряженияминазывают напряжения в поверхностном слое деталей, которые существуют при отсутствии каких-либо внешних воздействий, например температурных или силовых. При обработке резанием и вызванных им пластических деформациях металла уменьшается его плотность и соответственно увеличивается удельный объем примерно на 0,3…0,8% от исходного значения.

Вследствие трения задней поверхности инструмента об обработанную поверхность в поверхностных слоях последней возникает пластическая, а ниже – упругая деформация растяжения. По мере движения режущего клина и снятия нагрузки упругорастянутые слои стремятся возвратиться в исходное состояние, но этому препятствуют пластически деформированные слои. В результате внутренние области оказываются частично растянутыми, а в поверхностных слоях возникнут остаточные напряжения сжатия.

Остаточные напряжения могут возникнуть в связи с локальным нагревом поверхности обрабатываемой детали. Под действие теплового фактора поверхностные слои стремятся удлиниться, но этому препятствуют более холодные, расположенные в глубине металла, и в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. При охлаждении наблюдается обратная картина с образованием растягивающих напряжений. Результирующую эпюру напряжений следует рассматривать как результат одновременного действия силового и теплового фактора.

При обработке резанием металлов, склонных к фазовым превращением, нагрев в зоне резания может вызывать структурные превращения, связанные, как известно, с объемными изменениями кристаллической решетки металла. Поэтому в слоях со структурой, имеющей больший удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема – остаточные напряжения растяжения.