10. Влияние обработки резанием на качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин

10.1. Понятие качества поверхностей деталей машин

Показатели качества поверхностей деталей. В совре­менном машиностроении к выпускаемой продукции предъявляются высокие требования. Эксплуатационные показатели отдельных деталей, образующих механизмы и узлы машин, зависят не только от вида материала, но и от того, как и по какому технологическому процессу они изготовлены.

Под качеством поверхности детали понимают свойства ее поверхностного слоя, которые формируются в результате воздействия на поверхность одного или нескольких последовательно применяемых технологических методов обработки. Качество поверхностей деталей определяется геометрическими и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя. Классификация показателей качества поверхностей деталей приведена на (рис. 9.1).

Р ис. 10.1. Классификация показателей качества поверхностей деталей

Шероховатость поверхности. Шероховатость поверхности представляет совокупность неровностей с относитель­но малыми шагами, образующих ее рельеф в пределах базовой длины. Микронеровности формируются в резуль­тате взаимодействия обрабатываемой поверхности с элементами режущего инструмента или обрабатывающих сред.

Волнистость поверхности. Волнистость представляет совокупность периодически повторяющихся неровностей на поверхности детали. Причиной появления волнистости является недостаточная жесткость и колебания в ячейках технологической станочной системы. При изучении микрорельефа поверхности (шероховатости) отношение шага к высоте неровностей не превышает 50, а макрорельефа (волнистости) - отношение шага волны к ее высоте значительно больше:

50 ≤ S_W /W_z ≤ 1000.

Физико-механические свойства поверхностного слоя. Тонкий поверхностный слой деталей машин имеет иные механические, физические, химические свойства и напря­женное состояние, чем в глубинной части металла. Глубина поверхностного слоя в зависимости от вида обработки находится в пределах от нескольких десятитысячных до сотых и десятых долей миллиметра, оказывая большое влияние на работоспособность деталей машин. Отличие свойств тонких поверхностных слоев от свойств сердце­вины обусловлено наличием свободной поверхностной энергии и большой адсорбционной активностью поверх­ности; суммой механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при обработке резанием.

10.2. Механизм возникновения шероховатости 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.

На рис. 10.2, а - в показаны профили обработанной поверхности, представляющие собой след режущих кромок инструмента.

При резании резцом с радиусом закругления r = 0 (рис. 10.2, а) теоретическая высота гребешка R_zp определится из следующих соотношений:

KO = ОN ctg φ₁ = R_zp ctg φ₁ ; OL = ON ctg φ = R_zp ctg φ;

,

откуда

.

Когда теоретический профиль обработанной поверхности по­лучается как след криволинейного участка режущей кромки BCF с радиусом r (рис. 10.2, б), высота оставшихся гребешков определится следующим образом:

CE = R_zp = OC - OE = r - OE;

из треугольника OBE

^;

тогда

.

Из анализа выведенных формул следует, что высота гребешков (шероховатость) уменьшается с уменьшением подачи s, главного φ и вспомогательного φ₁ углов в плане и с увеличением радиуса r закругления при вершине резца в плане. Это же поло­жение для углов φ и φ₁ показано на (рис. 10.2, а) при уменьшении угла φ (направление LE) и угла φ₁ (направление KF) высота гребешка уменьшается в сравнении с первоначальной высотой R_zp.

Рис. 10.2. Профили обработанной поверхности:

а – при резании резцом с r = 0;

б – при образовании поверхности криволинейным участком режущей кромки;

в – действительный профиль, образованный криволинейным

и прямолинейным участками режущих кромок

Действительный профиль обработанной поверхности будет более шероховатым (см. рис. 10.2, в) и высота его неровностей R_z значительно больше теоретической высоты R_zp. Основной причиной, вызывающей резкое отличие действительного профиля от теоретического, является упругое и пластическое деформирование слоев обработанной поверхности; большое влияние на R_z оказы­вают также периодичность наростообразования и силы трения, всегда действующие между задними поверхно­стями инструмента и поверхностями заготовки, приводящие к разрывам металла в поверхностных слоях. Поэтому наряду c рассмотренным влиянием s, φ, φ₁ и r (которые в основном воз­действуют как чисто геометрические факторы) на шероховатость (микрогеометрию) обработанной поверхности оказывает влияние в процессе стружкообразования и ряд других факторов. К ним в основном относятся скорость резания, свойства обрабатывае­мого металла, передний угол, смазывающе-охлаждающая жид­кость, упругие деформации поверхности, шероховатость режу­щей кромки инструмента, износ инструмента.

Влияние скорости резания на шероховатость обрабо-танной поверхности показано на (рис. 10.3). Кривая 1 является более общим случаем, имеющим место при обработке сталей, за исключением высоколегированных. Сначала в диапа­зоне скоростей V₁ … V₂ (V₁ близка к нулю) шероховатость обработанной поверхности увеличивается, что вызывается началом наростообразования, достигающего максимального значения при скорости V₂.

Начиная со скорости V₂ под действием возросшей температуры условия для наростообразования ухудшаются, высота наростообразования уменьшается, и при некоторой скорости резания V₃ она исчезает совсем; это приводит к соответствующему уменьшению высоты микронеровностей. При дальнейшем увеличении скорости резания с V₃ до V₄ шероховатость поверхности продолжает уменьшаться, что объясняется уменьшением трения (за счет повышения температуры) между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью, а также общим уменьшением пластической деформации (что подтверждается соответствующим уменьшением коэффициента усадки стружки).

Начиная со скорости резания V₄, величина которой зависит в основном от обрабатываемого металла, процесс резания стабилизируется, и высота микро-неровностей практически остается постоянной, близкой к R_zp теоретической (рис. 10.3).

Рис. 10.3 Влияние скорости резания

на высоту микронеровностей обработанной поверхности

При обработке высоколегированных сталей, цветных металлов и хрупкого чугуна горбообразная кривая почти не имеет места. Более характерной зависимостью для этих металлов является кривая 2 (рис. 10.3), показывающая, что с увеличением скорости резания шероховатость обработанной поверхности сначала резко уменьшается, а затем практически остается постоянной; это объясняется почти полным отсутствием наростообразования.

Чем выше твердость обрабатываемой стали, тем меньше высота микронеровностей; по мере увеличения скорости резания влияние твердости на шероховатость обработанной поверхности снижается.

Смазочно - охлаждающие жидкости, облегчая процесс стружкообразования, уменьшая трение и пластическое деформирование, способствуют получению менее шероховатой обработанной поверхности (рис. 10.4). По мере увеличения скорости резания эффект от применения жидкостей уменьшается (по сравнению с обработкой всухую) и начиная с некоторой скорости становится практически не заметным.

Рис. 10.4. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей

на высоту микронеровностей обработанной поверхности

Чем больше упругое восстановление обработанной поверхности, тем в большей степени будет отличаться действительная высота гребешка от расчетной.

Так как упругое восстановление зависит от радиуса ρ округления режущей кромки, то чем больше ρ, тем больше действительная высота гребешков (хуже обработанная поверхность). Влияние упругих деформаций и величины ρ на высоту R_z особенно интенсивно сказывается при малых толщинах среза, когда а/ близко к единице.

Высота микронеровностей режущей кромки влияет на микрогеометрию обработанной поверхности: зазубрины режущей кромки копируются непосредственно на гребешках обработанной поверхности, увеличивая их высоту. Поэтому поверхности резца для чистового точения должны быть тщательно заточены (доведены), что уменьшает шероховатость и на самой режущей кромке.

При износе резца до 0,5 … 1 мм по его задней поверхности влияние износа на шероховатость незначительно; однако большая величина износа, приводящая к значительному возрастанию шероховатости режущей кромки, величины ρ и сил, действующих в процессе резания, может вызвать увеличение высоты микронеровностей обработанной поверхности, а при недостаточной жесткости системы СПИД привести и к вибрациям, значительно ухудшающим микрогеометрию обработанной поверхности.

В заключение отметим, что подача s в пределах до

0,12 … 0,15 мм/об на дейст­вительную высоту гребешков влияет незначительно, тогда как при дальнейшем увеличении подачи действительная высота микронеровностей резко возрастает (см. рис. 10.4). Глубина же резания на изменение микро-геометрии обработанной поверхности влияет мало.

Рассмотренные применительно к токарной обработке зависимости шероховатости обработанной поверхности от различных факторов сохраняют в основном свою силу и для других видов обработки (строгания, сверления, зенкерования, фрезерования и др.).

Так как завивание стружки, ее усадка и упрочнение являются результатом пластической деформации при резании металлов, а последняя влияет также и на степень шероховатости обработан­ной поверхности, то можно сказать, что пластическая деформа­ция, завивание стружки, усадка стружки и шероховатость обра­ботанной поверхности имеют глубокую физическою связь.

Действительная высота микронеровностей обработанной поверхности аналитическому расчету не поддается. Для того, чтобы иметь численную связь между высотой микронеровностей и важнейшими факторами процесса резания, созданы приближенные эмпирические формулы, полученные на основании статистической обработки опытных данных. При точении со скоростями резания, соответствующими чистовой обработке такая формула имеет вид

.

Численные величины постоянной C_R, зависящей от рода обрабатываемого материала, и показателей степени приводятся в справочной литературе.