Влияние механической обработки на состояние поверхностного слоя

Деформационное упрочнение (наклеп) металла. При обработке резанием под действием сил в металле происходит пластическая деформация металла, приводящая к его деформационному упрочнению (наклепу). В общем случае интенсивность и глубина проникновения наклепа возрастают с увеличением силы резания и продолжительности ее воздействия, а также с повышением степени пластической деформации поверхностного слоя.

Одновременно с упрочнением под влиянием нагрева зоны резания в поверхностном слое протекает процесс разупрочнения (отдыха). Конечное состояние металла поверхностного слоя зависит от соотношения скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, которое в свою очередь зависит от преобладания в зоне резания силового или теплового факторов.

Степень и глубина наклепа изменяются в зависимости от вида и режима обработки и геометрии режущего инструмента. Любое изменение режима резания, вызывающее увеличение силы резания ведет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжительности действия сил резания на металл поверхностного слоя увеличивает глубину наклепа. Изменение режима обработки, приводящее к росту количества теплоты в зоне резания и продолжительности теплового воздействия инструмента на металл в зоне резания, приводит к интенсификации процесса разупрочнения и снятию наклепа поверхностного слоя. Таковы общие соображения о влиянии режимов резания на наклеп поверхностного слоя.

Картина значительно усложняется влиянием сил трения, которые как повышают степень деформации поверхностного слоя, так и увеличивают количество тепла в зоне взаимодействия инструмента с обработанной поверхностью. Большое значение имеют условия отвода тепла из зоны резания (с охлаждением или без него), свойства смазывающее-охлаждающей жидкости, ее количество.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что при обработке точением наклеп поверхностного слоя повышается при увеличении подачи и глубины резания, росте радиуса округления режущей кромки, уменьшении положительного переднего угла, переходе его в отрицательную зону. Все эти изменения режима резания и геометрии инструмента приводят к увеличению силы резания.

Скорость резания влияет на наклеп через изменение интенсивности теплового воздействия на поверхностный слой и продолжительности воздействия сил резания и нагрева на металл. При повышении скорости резания уменьшается время воздействия сил резания, интенсифицируется трение и выделение теплоты в зоне резания, что способствует ускорению процесса отдыха металла. В результате с ростом скорости резания, как правило, наклеп поверхностного слоя уменьшается.

При фрезеровании аналогично точению увеличение подачи и глубины резания приводит к повышению степени наклепа. Эксперименты показали, что наклеп поверхностного слоя существенно больше при встречном фрезеровании, чем при попутном. Здесь проявляется влияние трения при врезании зуба фрезы: при встречном фрезеровании взаимодействие зуба фрезы со снимаемым слоем начинается с трения его об обработанную поверхность, что увеличивает продолжительность силового воздействия на обработанный предыдущим зубом поверхностный слой.

Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке. Наклеп возрастает при усилении нагрузки на абразивное зерно, которая возрастает при увеличении глубины шлифования, частоты вращения детали при круглом шлифовании, что соответствует увеличению подачи (при плоском шлифовании – увеличение числа двойных ходов и продольной подачи стола). Увеличение размера абразивного зерна (зернистости шлифовального круга) и радиуса его округления также приводят к возрастанию наклепа. Повышение частоты вращения шлифовального круга (скорости резания) снижает нагрузку на отдельное абразивное зерно и увеличивает количество тепла в зоне резания, в результате наклеп в поверхностном слое уменьшается. При шлифовании с выхаживанием увеличивается продолжительность силового воздействия абразивных зерен на обработанную поверхность и наклеп поверхностного слоя возрастает.

Практически все отделочные методы абразивной обработки сопровождаются наклепом поверхностного слоя. По экспериментальным данным, которые приводит А.А. Маталин [5]:

· при хонинговании закаленных сталей микротвердость металла в поверхностном слое возрастает за счет наклепа на 15 – 20% при глубине наклепа в пределах 15 – 20 мкм;

· при полировании микротвердость возрастает на 30 – 40% при глубине 15 – 20 мкм;

· при суперфинишировании отожженной стали микротвердость в поверхностном слое увеличилась на 35 – 40% при глубине наклепа 5 -10 мкм;

· при доводке свободным абразивом стали 45 микротвердость повысилась за счет наклепа на 45% при глубине 15 – 20 мкм.

Остаточные напряжения в поверхностном слое металла. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке вызвано следующими основными причинами.

1. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, в результате чего удельный объем металла в поверхностном слое увеличивается на 0,3 – 0,8% по сравнению с металлом сердцевины, не подвергшемся пластической деформации. Этому увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним ниже лежащие недеформированные слои. В результате в наружном слое детали возникают сжимающие, а в нижележащих слоях – растягивающие остаточные напряжения.

2. Режущий инструмент вытягивает кристаллические зерна металла подрезцового слоя (поверхностного слоя обработанной поверхности), которые получают упругую и пластическую деформацию растяжения в направлении скорости резания. Этим деформациям способствует также трение задней поверхности инструмента об обработанную поверхность. После прохода инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные с нижележащими слоями, получают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению скорости резания, а нижележащие слои – уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. В направлении подачи (перпендикулярно скорости резания) наблюдается такая же картина, в результате чего в поверхностном слое возникают остаточные осевые напряжения, величина и знак которых может совпадать или не совпадать с напряжениями в направлении скорости резания.

3. Теплота в зоне резания практически мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла, что приводит к увеличению его удельного объема. После прохода инструмента эти слои быстро охлаждаются и сжимаются, однако этому сжатию препятствуют нижележащие ненагретые слои. В результате в поверхностном слое развиваются остаточные напряжения растяжения, а нижележащих слоях – уравновешивающие напряжения сжатия.

4. Нагрев поверхностного слоя сталей и сплавов, склонных к фазовым превращениям, вызывает структурные изменения, появление другого фазового состава с другим удельным объемом фазовых составляющих. В этом случае в слоях металла с большим удельным объемом развиваются остаточные напряжения сжатия, а в слоях с меньшим удельным объемом – остаточные напряжения растяжения. Например, при шлифовании закаленных сталей с мартенситной структурой при определенных условиях и режимах обработки в поверхностном слое под действием высоких температур образуются структуры троостита или сорбита, которые имеют меньший удельный объем, чем структура мартенсита. В этих слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях – уравновешивающие их напряжения сжатия.

Все перечисленные причины могут действовать одновременно и их соотношения влияют на результирующее распределение остаточных напряжений. Разные виды обработки и режимы резания меняют напряженное состояние металла в зоне резания и удельное значение теплоты в составе причин образования остаточных напряжений, в результате чего в значительных пределах меняются как величина, так и знак остаточных напряжений.

В большинстве случаев изменения, приводящие к увеличению силового воздействия и повышению степени пластической деформации, вызывают рост остаточных напряжений сжатия и снижение напряжений растяжения. Изменения условий обработки, которые ведут к повышению мгновенной температуры в зоне резания и усиливают влияние теплового фактора, приводят к росту остаточных напряжений сжатия или превращению их в растягивающие. К числу таких изменений относятся повышение скорости резания, засаливание абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого материала, увеличение длительности контакта инструмента с обработанной поверхностью (например, за счет выхаживания при шлифовании), ухудшение условий охлаждения зоны резания и т. д.

При точении (как и при других методах обработки лезвийными инструментами) окончательная величина, знак, глубина распространения и характер эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое зависят от степени воздействия каждой из причин, вызывающих их формирование.

Скорость резания чаще всего влияет на остаточные напряжения через тепловое воздействие. При повышении скорости резания растет количество теплоты в зоне резания. Но продолжительность теплового и силового воздействия инструмента на обработанную поверхность уменьшается.

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.

При обработке малопластичных материалов образуется элементная стружка, при этом формируются в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия. Повышение скорости резания приводит к их снижению и даже к превращению в напряжения растяжения за счет появления дополнительных тепловых напряжений растяжения.

При точении закаленных материалов с возрастанием скорости резания и увеличением тепловыделения в поверхностном слое может произойти отпуск металла, что уменьшит его удельный объем и вызовет дополнительные напряжения растяжения, в результате чего окончательная величина остаточных напряжений сжатия уменьшится.

Увеличение подачи приводит к росту силового воздействия и пластической деформации поверхностного слоя. При обработке пластичных материалов это приводит к росту остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое. При обработке же малопластичных материалов увеличение подачи приводит к росту остаточных напряжений сжатия и глубины их проникновения в металл поверхностного слоя.

Большое влияние на формирование остаточных напряжений оказывает износ и затупление инструмента, приводящий к росту радиуса округления режущего лезвия и, как следствие, к увеличению пластической деформации поверхностного слоя. При обработке пластичных материалов затупление инструмента увеличивает растягивающие остаточные напряжения и глубину их распространения. При обработке малопластичных материалов затупление инструмента приводит к увеличению сжимающих остаточных напряжений и глубины их распространения в поверхностном слое.

Шлифование. Шлифование отличается очень высокой скоростью резания, в десятки раз превосходящей скорости резания металлическими и твердосплавными инструментами, и высокой температурой в зоне резания, которая иногда приближается к температуре плавления обрабатываемого металла. В тонком слое металла и в отделяемой стружке развиваются очень большие напряжения. Характер распределения и величина остаточных напряжений в поверхностном слое зависит от условий проведения обработки, которые могут сделать преобладающей одну из ранее указанных причин.

Изменение условий, которые влекут за собой повышение температуры в поверхностном слое металла, приводит к росту остаточных напряжений растяжения или к снижению остаточных напряжений сжатия. К числу таких изменений относятся:

· ухудшение охлаждения (теплоотвода из зоны резания);

· уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала;

· увеличение скорости резания (частоты вращения абразивного круга);

· повышение твердости шлифовального круга;

· затупление, засаливание круга;

· увеличение глубины шлифования и подачи;

· снижение скорости вращения обрабатываемой детали.

Другие изменения условий шлифования, которые приводят к снижению теплообразования, повышению силового воздействия абразивных зерен на обрабатываемый металл и увеличению пластической деформации, способствуют уменьшению тепловых растягивающих напряжений и увеличению сжимающих остаточных напряжений. К ним относятся:

· использование мягких кругов и кругов с хорошим теплоотводом;

· хороший отвод тепла из зоны резания при увеличении глубины шлифования и подачи;

· снижение скорости резания (частоты вращения шлифовального круга);

· увеличение частоты вращения обрабатываемой детали;

· применение выхаживания.

При шлифовании металлов, склонных к фазовым превращениям, повышение нагрева изделия приводит к изменению фазового состава и к появлению остаточных напряжений различного знака, механизм формирования которых описан ранее.

Отделочные методы обработки. Все эти методы имеют сравнительно низкие скорости резания и небольшие давления на обрабатываемую поверхность. Поэтому тепловых остаточных напряжений в них не наблюдается. Но при осуществлении этих методов всегда имеет место пластическая деформация и наклеп в тонком поверхностном слое металла, особенно когда режим резания переходит в режим трения – полирования. Поэтому в тонком поверхностном слое металла обычно возникают остаточные напряжения сжатия. По экспериментальным данным, которые приводит А.А. Маталин, при суперфинишировании закаленной стали 45 сжимающие напряжения в поверхностном слое достигали 844 МПа (86 кгс/мм²) и распространялись на глубину 0,005 – 0,015 мм. При переводе суперфиниширования из режима микрорезания в режим полирования эти напряжения увеличивались более чем в три раза.