книги / Резание материалов
..pdfПод шероховатостью (3) поверхности понимают совокупность микронеровностей с шагом, меньшим, чем базовая длина, используемая для ее измерения. Субшероховатость (4) – это субмикронеровности, накладываемые на шероховатость поверхности. Верхняя зона (5) толщиной около 10…100 мкм – это адсорбированный (притягивающий) из окружающей среды слой молекул и атомов органических и неорганических веществ (например, воды, СОЖ, растворителей, промывочных жидкостей). Промежуточная зона (6) толщиной примерно 10 мкм представляет собой продукты химического воздействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Граничная зона (7) имеет толщину, равную нескольким межатомным расстояниям со значительно измененной кристаллической и электронной структурой и химическим составом. Зона 8 имеет толщину примерно 200…1000 мкм с измененными физико-химическими свойствами – остаточными напряжениями, наклепом и структурой.
При обработке деталей резанием под действием силы и температуры резания в поверхностном слое металла происходит упругопластическое деформирование, которое распространяется на определенную глубину. При этом наблюдается скольжение отдельных частей кристаллитов по определенным кристаллографическим плоскостям. Процесс скольжения начинается тогда, когда возникают критические сдвигающие напряжения, достаточные для его начала. Пластическому деформированию предшествует упругое деформирование, распространяющееся со скоростью, близкой к скорости звука. Пластическое деформирование происходит медленнее, требуется определенное время на перемещение частей кристаллитов. Поэтому при большой скорости резания происходит межкристаллитная пластическая деформация с перемещением зерен относительно друг друга. Зерна вытягиваются в направлении действия силы резания. Кристаллиты ориентируются в основном по кристаллографическим направлениям. В результате образуется текстура поверхностного слоя. В деформированном слое увеличивается число дислокаций и свободных вакансий, что снижает плотность металла, электропроводность и теплопроводность.
321
5.2.1. Шероховатость обработанной поверхности
Реальная поверхность детали после механической обработки в отличие от идеальной поверхности всегда имеет неровности различной формы и высоты.
Под шероховатостью поверхности понимается совокупность микронеровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности.
Микронеровности образуются в результате взаимодействия элементов режущего инструмента и обрабатываемой поверхности при определенном режиме резания (рис. 175). Шероховатость при точении – это следы резца – регулярный профиль.
Рис. 175. Схема образования регулярного профиля шероховатости при точении (а) и искажение профиля (б) за счет термодинамических деформаций в зоне резания (искаженные профили: 1 – регулярный; 2 – действительный)
В общем виде шероховатость – действительная высота неровностей Rz (Rа), мкм, при точении может быть определена из следующей зависимости:
Rz = Нр + Н,
где Нр – расчетная или теоретическая величина неровностей – регулярный профиль; Н – отклонение фактической высоты неровностей от расчетной.
При этом расчетная величина неровностей при радиусе резца при вершине R, равной нулю, может быть определена по формуле
Нр = (S tg tg 1)/(tg + tg 1);
322
при R, не равном нулю, по формуле
Нр = S2/8R.
Можно подсчитать, что при So = 0,05 мм, R = 0,2 мм
Нр = 1,6 мкм, при So = 0,2 мм, R = 1,2 мм Нр = 6,3 мкм.
Суммарная величина отклонений Н может быть представлена выражением
Н = Нпл.деф + Нупр.деф + Нтр.зад + + Ннар + Нвибр + Нh,
т.е. учитывает влияние пластической Нпл.деф и упругой Нупр.деф деформаций, трения задней поверхности инструмента о детальНтр.зад, наростообразование Ннар, вибрации Нвибр, износ инст-
румента Нh и т.д.
Необходимо отметить, что пластическая деформация и другие факторы воздействуют на Rz таким же образом, как они действуют на интенсивность износа инструмента при резании. Так, чем выше трение, тем больше интенсивность износа, тем хуже обработанная поверхность и т.д.
Поскольку расчетная высота неровностей Нр находится из чисто геометрических соображений и от других параметров процесса резания не зависит, то изменение шероховатости обработанной поверхности связано с изменением Н.
На величину Н (или на Rz) оказывают влияние следующие основные факторы: скорость резания, свойства обрабатываемого материала, свойства инструментального материала, жесткость системы станок–приспособление–инструмент–деталь и др.
В соответствии с ГОСТ 2789–83 шероховатость поверхности характеризуется шестью параметрами, основные из которых – это высота неровностей Rz по десяти точкам и среднее арифметическое отклонение профиля Rа (мкм). Иногда используется параметр максимальная высота профиля Rmax. На рис. 176 приведена типовая профиллограмма шероховатости, на которой обозначены основные параметры.
323
Рис. 176. Типовая профиллограмма шероховатости поверхности с обозначением основных параметров согласно ГОСТ 2789–83
Среднее арифметическое отклонение прoфиля Ra (мкм) –
среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля впределах базовойдлины. Rарассчитываетсяпо формулам:
n |
|
|
|
|
1 |
L |
|
|
|
|
Ra 1n i 1 |
|
yi |
|
или Ra |
0 |
|
y(x) |
|
dx. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
L |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Высота неровностей по десяти точкам Rz (мкм) – сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины. Рассчитывается по следующей формуле:
|
5 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ypi |
|
|
|
yVi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
R |
|
i 1 |
|
|
|
i y |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
z |
5 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Наибольшая высота неровностей профиля Rmax – расстояние между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины. Формула расчета следующая:
Rmax Rp RV .
Средний шаг неровностей профиля Sm – среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины,
Sm 1 n Smi ,
n i 1
где Smi – i-й шаг неровностей – отрезок средней линии профиля, содержащей неровность профиля; n – число шагов неровностей профиля.
324
Средний шаг местных выступов профиля S – среднее значе-
ние шагов местных выступов профиля, находящихся в пределах базовой длины. Рассчитывается по формуле
S1 n Si ,
n i 1
где Si – i-й шаг местных выступов профиля; n – число шагов местных выступов.
Относительная опорная длина профиля tp – отношение опор-
ной длины профиля к базовой длине: tp lp ,
n
где p bi – опорная длина профиля (сумма длины отрезков
i 1
bi, отсекаемая на заданном уровне p в материале профиля линией m, эквивалентной средней линии в пределах базовой длины); p – уровень сечения профиля, выраженный в процентах от Rmax.
Приведенная шероховатость обычно называется поперечной шероховатостью, т.е. в направлении подачи. Однако при точении образуется и продольная шероховатость, измеряемая вдоль главного движения резания. Обычно поперечная шероховатость больше продольной, поэтому она больше влияет на эксплуатационные свойства обработанной поверхности.
Значения Rа и Rz шероховатости по ГОСТ 2789–83 приведены в табл. 20. С достаточной для практики точностью установле-
но, что между параметрами шероховатости существует зависи-
мость Rz = 4,5 Rа0,97 либо Rz = 0,75 Rmax.
Высота и форма неровностей поверхности, расположение
инаправление рисок зависят от принятого метода и режима обработки, геометрии режущего инструмента, свойств обрабатываемого материала, состояния используемого оборудования и т.д. Иногда эти параметры устанавливаются в технических условиях
иобозначаются на чертежах. На эксплуатационные показатели поверхностей деталей оказывают влияние и другие параметры
325
шероховатости, которые рассматриваются стандартами зарубежных стран: радиусы закругления вершин и впадин, углы наклона и глубина впадин, являющихся концентраторами напряжений. Однако требования к шероховатости должны быть обоснованы с учетом функционального назначения деталей. Чаще всего достаточно указывать только один параметр: Rа или Rz.
|
|
|
Таблица 2 0 |
|
Классы и величина шероховатости поверхностей |
||||
|
|
|
|
|
Класс |
|
Rz, мкм |
|
|
шероховатости |
Ra, мкм |
Базовая длина, мм |
||
(старый ГОСТ) |
|
|
|
|
1 |
– |
320 |
|
|
2 |
– |
160 |
8,0 |
|
3 |
– |
80 |
|
|
4 |
– |
40 |
2,5 |
|
5 |
– |
20 |
||
|
||||
6 |
2,5; 2,0; 1,6 |
– |
– « – |
|
7 |
1,25; 1,00; 0,80 |
– |
0,8 |
|
8 |
0,63; 0,50; 0,40 |
– |
– « – |
|
9 |
0,32; 0,25; 0,20 |
– |
– « – |
|
10 |
0,160; 0,125; 0,100 |
– |
– « – |
|
11 |
0,080; 0,063; 0,050 |
– |
0,25 |
|
12 |
0,040; 0,032; 0,025 |
– |
– « – |
|
13 |
– |
0,100 |
– « – |
|
14 |
– |
0,50 |
– « – |
|
Волнистость поверхности, в отличие от шероховатости, представляет собой совокупность периодически чередующихся выступов и впадин синусоидальной формы, имеющих значительно больший шаг. Причиной появления волнистости является недостаточная жесткость и колебания в системе станок–приспособ- ление–инструмент–деталь. Если для шероховатости отношение шага к высоте составляет не более 50, то для волнистости это отношение намного больше – от 50 до 1000. На рис. 177 представлены схемы волнистости поверхности для расчета высоты и шага волнистости.
326
Высота волнистости Wz определяется как среднее аpифметическое из пяти ее значений Wi, измеренных на длине участка Lw, равного не менее пяти действительным наибольшим шагам волнистости Sw:
Wz = (W1 + W2 + W3 + W4 + W5)/5.
Рис. 177. Схемы волнистости поверхности для расчета высоты волны W (а) и шага волны Sw (б)
Средний шаг волнистости Sw есть среднеe арифметическое расстояние Swi между одноименными сторонами соседних волн, измеренное по средней линии профиля mw:
n
Swi
Sw |
i 1 |
. |
|
n |
|||
|
|
Для волнистости определяется также ее наибольшая высота Wmax как расстояние между наивысшей и наинизшей точками профиля в пределах Lw, измеренное по одной полной волне.
Методы измерения шероховатости. Применяемые методы оценки шероховатости разделяются на прямые и косвенные. Для прямой оценки шероховатости используют щуповые приборы (профилографы и профилометры) и оптические (двойной и интерференционный микроскопы) (рис. 178). Для косвенной оценки применяют эталоны шероховатости и интегральные методы оценки.
Наиболее широко применяются в промышленности и исследовательских организациях оптический прибор – двойной микроскоп
327
МИС-11 конструкции академика В.Л. Линника – и щуповые – различные модели профилографов, профилометров.
аб
Рис. 178. Приборы измерения шероховатости: двойной микроскоп МИС-11 (а), ручной профилометр MarSurf PS1 (б)
Для визуального сравнения существуют эталоны шероховатости для каждого вида обработки резанием.
5.2.2.Наклеп поверхностного слоя при резании металлов
Под наклепом металла следует понимать повышение его прочностных свойств и твердости при его пластическом деформировании. Первоначальная пластическая деформация металла, образующего поверхностный слой, протекает в зоне стружкообразования, так как начальная граница этой зоны (линия СЕ), как правило, лежит ниже линии среза (рис. 179). Другой причиной деформации поверхностного слоя (упрочнения) является то, что резание металлов осуществляется инструментом, лезвие которого всегда имеет некоторый радиус округления . Для заточенных алмазным кругом резцов радиус может быть в пределах от 3 до 10 мкм. Для резцов, имеющих износ hз от 0,1 до 0,3 мм, радиус округления составляет 20...60 мкм.
328
Рис. 179. Схема процесса резания с образованием наклепа глубиной упрочнения Hу
При наличии радиуса часть металла выше линии АВ уходит
встружку, а слой металла толщиной Нсж не срезается, а подминается округленной частью резца, подвергаясь упругой и пластической деформации с увеличением поверхностной микротвердости
(см. рис. 179).
Третьей причиной деформации поверхностного слоя является частичное упругое восстановление несрезанного деформирован-
ного металла на величину Hy. Это приводит к появлению на задней поверхности инструмента нормальных и касательных сил, а следовательно, и к дополнительной пластической деформации поверхностного слоя.
Таким образом, металл, образующий поверхностный слой,
впроцессе резания претерпевает неоднократное пластическое деформирование. Это приводит к изменению всех физикомеханических свойств и структуры металла. Основными характеристиками наклепа являются: степень наклепа H и глубина наклепанного слоя hс. Степень наклепа определяется по формуле
H = (H1 – H)100 %/H,
где H1 – микротвердость детали непосредственно с поверхности; Н – микротвердость исходного металла.
Для приближенного расчета глубины наклепа предложена следующая зависимость:
329
h S(1 sin Ф)sin 2 , 2sin Ф
где Ф – угол сдвига; – главный угол в плане. Здесь угол сдвига Ф определяется по формуле
tgФ |
cos |
, |
Ka sin |
где – передний угол резца; Kа – коэффициент утолщения стружки. Эти формулы справедливы для условия, когда S/t 0,3.
Известно, что возможности упрочнения металла за счет наклепа ограничены. При чрезмерной пластической деформации может образоваться перенаклеп металла, что приведет к его разупрочнению с появлением разрыхлений, трещин, отслаиваний и т.п.
Наклеп в поверхностном слое приводит металл в структурнонеустойчивое состояние, вызванное неодинаковым напряжением между отдельными зернами и даже целыми участками металла. На рис. 180 можно видеть, что глубина наклепа непостоянная: то увеличивается, то уменьшается до 1,5…2 раз.
Рис. 180. Общий вид пластической деформации в зоне резания и характер распределения глубины наклепа поверхностного слоя hc в поверхностных слоях при протягивании сплава ЭИ787-ВД: V = 0,43 м/с; Sz = 0,06 мм/зуб, hсmах = 45мкм(×50, полированныеобразцыкорнейстружки)
В этих условиях имеет место явление отдыха, т.е. стремление металла к возвращению в первоначальное, ненаклепанное состояние. Это связано также с повышенной температурой в зоне резания и наличием упругой деформации в поверхностном слое, которая стремится высвободиться после прохода режущего инструмента.
330