Деформационное упрочнение поверхностного слоя при обработке резанием

ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

В статье проводится анализ формирования упрочненного поверхностного слоя маложестких деталей. Приведены степени влияния на деформационное упрочнение поверхностного слоя основных факторов лезвийной обработки.

Ключевые слова: поверхностный слой, упрочнение, пластическое деформирование, маложесткие детали.

Деформационное упрочнение поверхностного слоя (ПС) при обработке металлов резанием происходит в результате пластических деформаций в зоне резания и последующего воздействия задней поверхности инструмента (или нароста) на формирующийся ПС.

Пластические деформации приводят к повышению прочностных характеристик ПС (предела прочности, предела текучести, твердости) и к снижению его пластичности. В результате пластических деформаций и трения в зоне резания выделяется тепло и происходит повышение температуры, которая может вызвать разупрочнение и даже рекристаллизацию деформированного металла ПС.

Деформационное упрочнение ПС в основном оценивается глубиной (Ьн) и степенью (ин) наклепа, которые существенным образом зависят от механических свойств и структуры металла. Пластичные металлы, имеющие большие значения отношения предела прочности к пределу текучести упрочняются в большей степени, чем малопластичные металлы. При пластических деформациях могут происходить фазовые превращения. При лезвийной обработке (точение, строгание, фрезерование и др.) существенное значение в формировании ПС, в частности, таких его характеристик как глубины и степени наклепа, имеет участок врезания режущего лезвия в металл. В связи с наличием округленной режущей кромки или вершины нароста врезанию предше-

ствуют стадии упругого и упругопластического оттеснения металла в сторону задней грани (обработанной поверхности).

Если вершину режущего клина рассматривать как жесткий цилиндр радиусом «р», который скользит по пластически деформируемому полупространству, то переход от пластического обтекания металлом округленной вершины к резанию наступает при условии (формула 1):

з / \2

3' п т

— -1,35,6 q

где Т — прочность связей контактируемых поверхностей на срез; q — фактическое давление, которое можно принять равным твердости материала; t — глубина резания.

Из соотношения (1) следует, что при идеальной смазке (Т = 0 ) образование стружки начинается при относительном внедрении t/p > 0,31. В условиях сухого трения пластическое обтекание переходит в резание при относительном внедрении t/p от

0,1 до 0,2.

Проведем анализ теоретической толщины среза tn на примере строгания резцом с радиусом при вершине г, и встречного фрезерования цилиндрической фрезой диаметром 2r (рис. 1).

Теоретическая толщина среза по радиусной части режущей кромки резца либо траектории врезания зуба фрезы изменяется от 0 до максимума и может быть подсчитана по формуле (2):

tn = r х cos an-yj r2 - S2 x

где a n — текущий угол (в полярной системе координат), градусы.

Из формулы (2) определяется максимальное ^тах (cos an = S / 2r) и среднее tcp (cos an = 0) значение толщины среза на участке радиусной кромки резца или траектории зуба фрезы, которые принимают непосредственное участие в формировании ПС, по формулам (3 и 4):

S 2

tmax = ±_,

1 r

tp = r-J r2-S2« Sr.,

Рис. 1. Схема к определению толщины срезаемого слоя и объяснению много-стадийности формирования ПС.где Б — величина подачи на один зуб инструмента; а — текущий угол (в полярной системе координат); р — радиус округления режущей кромки; п — порядковый номер врезающегося зуба; Г — толщина срезаемого слоя

Расчеты показывают, что при подаче Б=0,3 мм/об и г=2 мм, Гср=23 мкм; Г1тах = 45 мкм; при г = 4 мм, Гср = 11 мкм; Г1тах = 23 мкм.

Для случая фрезерования фрезой 0 50 мм с подачей 0,08 мм/зуб, Гср =0,13 мкм, гтах=0,26 мкм. Даже при большой подаче

(Бг=0,4 мм/зуб) Г1”ах = 6,4 мкм.

Таким образом, теоретические толщины среза на участке непосредственного формирования ПС имеют очень малые значения. При определенных отношениях Б/г эти толщины могут быть значительно меньше, чем радиус округления режущего лезвия резца или зуба фрезы. Они становятся соизмеримыми и могут быть даже меньше высоты шероховатости (Яг) обработанной поверхности и задней поверхности режущего инструмента или на-

роста. В этих условиях передний угол практически не оказывает непосредственного влияния на формирование ПС, фактические передние углы в этой зоне принимают отрицательные значения и на значительном участке происходит не резание, а пластическое обтекание металлом округленной режущей кромки, сопровождающееся трением и упрочнением ПС.

Площадь обработанной поверхности, окончательно сформированная не резанием, а путем трения и пластического оттеснения металла в ПС, увеличивается с уменьшением подачи, а также с увеличением г и р (по мере износа инструмента). На соотношении этих площадей должны оказывать влияние все факторы, определяющие протекание адгезионных процессов в зоне контакта обрабатываемого материала с округленной режущей кромкой (обрабатываемый и инструментальный материал, состояние контактирующих поверхностей, поверхностные пленки, смазка, температура и т.п.). При определенных условиях (больших г и р, хорошей смазке, низкой жесткости технологической системы и др.) вся обработанная поверхность может быть окончательно (последними проходами) сформирована путем пластической деформации микронеровностей и тонких слоев, а не путем снятия стружки.

В связи с малыми толщинами среза окончательное формирование ПС происходит не за один, а за несколько циклов, т.е. это процесс многоцикловый (многостадийный). Имеет место эффект последовательного увеличения остаточных деформаций металла ПС в результате многократного динамического приложения силовых нагрузок и воздействия вызванного ими напряженного поля на одни и те же участки ПС. Многократное воздействие на участки ПС с возрастающей интенсивностью имеет место также и от теплового поля, возникающего в зоне резания и формирования ПС.

Расчеты показывают, что, например, в процессе цилиндрического фрезерования фрезой диаметром 50 мм с подачей на зуб = 0,1 мм силовое поле, вызывающее пластические деформации на глубину 100 мкм, воздействует на одни и те же участки поверхностного слоя более 20 раз.

Даже при точении резцом с радиусом при вершине г = 2 мм и подачей 8 = 0,1 мм/об число циклов воздействия на одни и те же участки ПС доходит до 7. Эту особенность (цикличность воздействия) необходимо учитывать при анализе процесса

ствия) необходимо учитывать при анализе процесса образования ПС в случае обработки лезвийным инструментом.

По степени влияния на деформационное упрочнение ПС основные факторы лезвийной обработки можно расположить в следующей последовательности:

а) физико-химические свойства и структурно-фазовое состояние обрабатываемого металла;

б) материал и геометрия режущей части инструмента:

1) радиус вершив резца (г), радиус фрезы (Л);

2) радиус округления режущей кромки (р);

3) характер и величина износа инструмента (Из);

4) передний угол (у);

5) главный угол в плане (ф);

6) задний угол (а);

в) режим обработки:

1) подача (Б,Бг);

2) скорость резания (V);

3) глубина резания (Г);

г) смазывающие и охлаждающие технологические среды (СОТС).

Геометрия инструмента и режимы резания в широких пределах могут изменять условия пластической деформации и тепловые процессы в зоне резания и формирования ПС, а значит и его деформационное управление.

Глубина и степень наклепа ПС может колебаться в широких пределах, а кривые распределения микротвердости по глубине ПС могут иметь разный характер. В одних случаях происходит небольшое повышение микротвердости (от 10 % до 20 %) и кривая упрочнения имеет пологий характер по глубине. В других случаях наблюдается значительное повышение микротвердости (на 200 % — 300 %) и кривая упрочнения характеризуется большими градиентами изменения микротвердости по глубине, особенно в тонком ПС.

В зависимости от условий лезвийной обработки деталей из углеродистых, легированных сталей и никелевых сплавов глубина наклепа ПС изменяется в пределах от 0,05 до 0,3 мм, но может достигать и больших значений. После наиболее распространенных методов обработки (точения, фрезерования, сверления, зен-керования, строгание и др.) микротвердость ПС повышается на

30 % — 80 %. При этом вершины микронеровностей упрочняются в большей степени, чем впадины.

Как правило, наблюдается также большой разброс значений микротвердости, что связано с размерами зерен и различной микротвердостью структурных составляющих сталей и сплавов (например, более мягкого феррита и более твердого перлита).

Экспериментально установлено, что зависимость глубины и степени упрочнения от скорости резания носит экстремальный характер. Наименьшее значение этих величин имеет место при оптимальных скоростях и температурах, при которых наблюдается наименьший коэффициент трения и интенсивность износа инструмента.

Влияние подачи на деформационное упрочнение проявляется через толщину срезаемого слоя и температуру. При температурах ниже оптимальной, глубина и степень наклепа с увеличением подачи увеличивается, при температурах выше оптимальной — уменьшается. Наклеп увеличивается с уменьшением переднего угла, увеличением радиуса округления режущей кромки р с увеличением углов в плане ф и фь

Сильное влияние на степень и глубину наклепа оказывает износ инструмента, т.к. при этом увеличивается радиус округления режущей кромки и силы резания. Так, при точении и фрезеровании углеродистых сталей и никелевых сплавов увеличение износа с Из = 0,1 мм до Из = 0,3 — 0,4 мм сопровождается ростом глубины наклепа на 20 % — 40 %, а степени наклепа на 15 % — 30 %.

Применение смазывающих и охлаждающих технологических сред в зависимости от обрабатываемого материала, вида СОТС, способов ее подачи, режимов резания может приводить как к уменьшению, так и к увеличению глубины и степени наклепа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М.М. Технологическое обеспечение качество изделий машиностроения. Учебное пособие. М. МГТУ «Станкин». Янус/ — К, 2006. — 296 с.

2. Овсеенко Е.С. Качество поверхностного слоя деталей, упрочненных методами поверхностного пластического деформирования./ Овсеенко А.Н., Клауч Д.Н., Кущева М.Е., Овсеенко Е.С.// Упрочняющие технологии и покрытия, №6 (66), Москва, 2010. — С. 13—19.