10.3. Формирование физико-механических свойств поверхностного слоя металла при обработке резанием

Наклеп под обработанной поверхностью. В срезаемом слое металла под воздействием режущего инструмента происходят особенно интенсивные пластические деформации, обусловли­вающие отделение его от основной массы заготовки и переход в стружку. Менее же интенсивные пластические деформации проникают и за линию среза, т.е. под обработанную поверхность детали.

Возникает естественный вопрос, как объяснить возникновение пластических деформаций под обработанной поверхностью детали.

Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо учесть, что режущий инструмент никогда не является абсолютно острым, т.е. его передняя и задние поверхности фактически сопрягаются не по линии, а по некоторой цилиндрической поверхности, образующую которой условно можно представить дугой окружности радиуса  (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Сопряжение передней и задней поверхностей

лезвия инструмента

В дальнейшем величину  будем называть радиусом округления режущих кромок инструмента.

Процесс резания инструментом с радиусом округления режущих кромок  иллюстрирован на рис. 10.6.

В момент первоначального врезания инструмента в деталь соприкосновение вершины инструмента с деталью происходит в точке С, лежащей на горизонтали ОС (позиция 1).

По мере врезания инструмента точка наибольших напряжений понижается и при установившемся процессе резания переходит в точку соприкосновения линии сдвига с дугой окружности С_о (позиция II). Поэтому срезаемый слой переходит в стружку в той части, которая лежит выше линии С_оЕ. Другая же часть металла, ниже линии С_оЕ, сдавливается инструментом и естественно в значительной части пластически деформируется, т.е. претерпевает наклеп. Степень наклепа (упрочнение обработанной поверхности) в процессе резания определяется обычно отношением возрастания микротвердости поверхностного слоя Н_П металла к микротвердости основного металла (сердцевины) Н_С (в процентах):

.

В результате сдавливания наклеп проникает более или менее глубоко под обработанную поверхность. Металлографические исследования показывают, что слои обработанной поверхности деформируются в направлении резания.

Наклеп под обработанной поверхностью изучали многие исследователи рентгенографическим и другими методами.

Рис. 10.6. Схема процесса резания инструментом

с радиусом округления режущей кромки

Было установлено, что с изменением каждого из элементов режима резания изменяются степень и глубина наклепа. Увеличение подачи и глубины резания вызывает увеличение степени и глубины наклепа, причем подача на N и h влияет сильнее, чем глубина резания (рис. 10.7, а). Увеличение же скорости резания вызывает уменьшение степени и глубины наклепа (рис. 10.7, б). Особенно сильное увеличение N и h вызывает затупление инструмента, т.е. увеличение радиуса округления его режущей кромки.

Рис. 10.7. Зависимость степени наклепа N и глубины

наклепа h от подачи (а) и скорости резания (б) при точении

В зоне образования нароста глубина наклепа возрастает с увеличением нароста и уменьшается с его уменьшением.

Объяснить влияние различных факторов процесса резания на степень наклепа и глубину его распространения можно следующим.

При обработке металлов резанием одновременно действуют значительные силы резания, создающие наклеп, и температура, вызывающая разупрочнение металла. Конечное состояние поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания в зоне резания силового или теплового фактора. В связи с этим всякое измене­ние режимов резания, вызывающее увеличение усилий резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжитель­ности их воздействия на поверхностный слой приводит к увеличению глубины распространения наклепа. Изменение режимов, приводящее к увеличению количества теплоты в зоне резания и увеличивающее про­должительность теплового воздействия, усиливает интен­сивность отдыха, снимающего наклеп поверхностного слоя.

Для примера рассмотрим результаты исследования зависимости N = f(V) при резании титановых сплавов ВТ14, ВТ5-1 и ОТ4 в различных средах [21]. Зависимость степени наклепа от скорости резания носит экстремальный характер. Увеличение скорости резания от 20 до 100 м/мин приводит к уменьшению наклепа в 2…2,7 раза для различных марок титановых сплавов, а дальнейшее повышение ее до 150 м/мин повышает значение степени наклепа в 1,14…1,33 раза по сравнению с их минимальными значениями, имеющими место при оптимальных скоростях резания, соответствующих постоянной, оптимальной для каждой пары инструментальный материал – обрабатываемый материал температуре резания. Оптимальная температура при этом инвариантна по отношению к составам СОЖ и методам подвода их в зону резания

Остаточные напряжения в поверхностном слое металла. Остаточными напряжениями называют 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.

Можно предложить следующую схему формирования остаточных напряжений в ходе лезвийной обработки. 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 действием 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 (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Схема распределения остаточных напряжений

при резании пластичных металлов

При обработке резанием металлов, склонных к фазовым превращениям, 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.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим несколько подробнее возникновение напряжений при точении и фрезеровании.

При резании поверхностный слой металла нагревает­ся, в связи с чем происходит его расширение (удлинение) на

где - длина слоя при точении, равная D;

₁, ₂ - соответственно начальная и конечная температуры нагрева;

 - коэффициент линейного расширения обрабатыва­емого материала;

D - диаметр обрабатываемой поверх­ности.

Наружный слой металла связан как единое целое с нижележащим, остающимся холодным слоем, и поэтому он не может расшириться на и в нем возникают внутренние напряжения сжатия

 =  Е= Е (₂ - ₁), (10.1)

где Е - модуль упругости обрабатываемого металла;

 - относительная деформация: .

Таким образом, тепловые остаточные напряжения растяжения могут возникнуть в поверхностном слое только в том случае, если внутренние напряжения при нагревании, определяемые по формуле (10.1), превысят предел текучести данного материала и в нем произойдет термопластическая деформация.

Это условие может быть выражено неравенством

 =   (_{2 -} ₁) > _Т, (10.2)

где _Т - предел текучести обрабатываемого металла с учетом возможного упрочнения при обработке.

Пренебрегая значением ₁ из-за ее относительной малости, получим

 = _Т /(),

где  - температура нагрева металла поверхностного слоя, при превышении которой в нем возникают тепловые остаточные напряжения растяжения.

Тепловые остаточные напряжения растяжения в зави­симости от температуры  нагрева поверхностного слоя могут быть рассчитаны по формуле

где _ - коэффициент линейного расширения, соответствующий этой температуре;

- предел текучести метал­ла поверхностного слоя с учетом его упрочнения;

Е_ - модуль упругости обрабатываемого металла при данной температуре нагрева.

Эта формула справедлива для случая, когда нагревание поверхностного слоя не вызы­вает фазовых превращений металла.

Итак, в зависимости от вида и режимов обработки в зоне резания возникают различные количество теплоты и напряженность силового поля, в результате чего изме­няются уровень и знак остаточных напряжений в поверхностном слое (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Характер влияния условий

резания на тангенциальные остаточные напряжения

и глубину их залегания

При увеличении скорости резания растягивающие остаточные напряжения растут, но глубина их залегания уменьшается. С ростом подачи увеличиваются растягивающие напряжения, но при этом несколько больше и глубина их залегания. При переходе от положительных передних углов к отрицательным растягивающие напряжения резко уменьшаются, но одновременно увеличивается глубина их залегания.

Рассмотрим, для примера, как влияет скорость резания, СОЖ и методы их подвода в зону резания на остаточные напряжения при точении титановых сплавов [21]? Из рис. 10.10 видно, что в поверхностных слоях деталей из титановых сплавов формируются остаточные напряжения сжатия, которые с увеличением глубины их распространения сначала растут, достигая максимума _{ max} = 280 … 400 Н/мм² на глубине h = 20 … 40 мкм, а затем уменьшаются, переходя на глубине h = 80 … 120 мкм в растягивающие.

Рис. 10.10. Характер распределения тангенциальных

остаточных напряжений при точении титанового сплава ВТ14

с различными СОЖ:

× - резание всухую; ○ – эмульсия ЭТ-2;

∆ - масло «Индустриальное 20»; □ – раствор йодистого натрия;

- распыливание СОЖ; - полив СОЖ

Максимальные значения остаточных напряжений и глубина их залегания зависят от элементов режима резания, СОЖ и методов их подвода (рис. 10.11 и 10.12). Но в любом случае зависимости _max = f(V) имеют горбообразный характер с экстремумом при V₀ = 100 … 120 м/мин при постоянной оптимальной температуре _опт = 860 … 870^о С.

Из рис. 9.13, на котором представлены результаты исследований образцов из титанового сплава ВТ6с, обработанных резцом ВК6М в различных средах, видно, что минимальные остаточные напряжения сжатия _max=-85Н/мм² формируются в поверхностных слоях при точении всухую. Применение всех СОЖ приводит к увеличению напряжений сжатия. В большей мере сжимающие напряжения увеличиваются при использовании в качестве охлаждения-смазки синтетических СОЖ, увеличивающих - _{ max} в 1,2 … 1,25 раза. Далее следуют эмульсии (повышение - _{ max} в 1,11…1,2 раза) и СОЖ на масляной основе, обеспечивающие увеличение -_{ max} в 1,1 … 1,15 раза по сравнению с напряжениями, возникающими при обработке всухую. Все испытанные составы СОЖ при обработке титановых сплавов ВТ14 и ВТ6с при варьировании режимов резания в широком диапазоне, подаваемые в зону резания поливом, увеличивают максимальные остаточные напряжения сжатия и глубину их залегания в большей мере, чем эти же СОЖ, используемые в виде воздухо-жидкостной смеси (рис. 10.11 и 10.13).

Рис. 10.11. Влияние скорости резания и СОЖ на величину

максимальных тангенциальных остаточных напряжений

при точении титанового сплава ВТ14:

× - резание всухую; ○ – эмульсия ЭТ-2;

∆ - масло «Индустриальное 20»; □ – раствор йодистого натрия; - распыливание СОЖ; - полив СОЖ

Рис. 10.12. Влияние скорости резания и СОЖ на общую

глубину проникновения сжимающих остаточных напряжений при точении сплава ВТ14:

× - резание всухую; ○ – эмульсия ЭТ-2;

∆ - масло «Индустриальное 20»; □ – раствор йодистого натрия;

- распыливание СОЖ; - полив СОЖ

Рис. 10.13. Влияние СОЖ и методов их подвода при точении

на остаточные напряжения в образцах

из титанового сплава ВТ6с:

- распыливание СОЖ; - полив СОЖ. 1 - резание всухую,

2 – сжатый воздух, 3 – масло «Индустриальное 20»;

4 – сульфофрезол; 5 – ГЗ-3Х; 6-ЭТ-2; 7 – РЗ-СОЖ8;

8 – СОЖ-НИАТ; 9 – водный раствор NaJ

Таким образом, наиболее сильное воздействие на формирование благоприятных сжимающих остаточных напряжений оказывают такие СОЖ и методы их подвода, которые за счет своих охлаждающих свойств в наибольшей степени снижают температуру резания. Этому же способствует тот факт, что водные СОЖ во всем исследованном диапазоне скоростей резания увеличивают составляющие силы резания, в то время как СОЖ на масляной основе снижают их.

Из всего сказанного следует, что остаточные напряжения зависят от конкретных условий процесса обработки. Последние должны быть такими, чтобы обеспечить благоприятные остаточные напряжения, повышающие эксплуатационные характеристики деталей машин.