|
|
Упрочение обработанных поверхностей при резании (наклеп)
Анализ схемы образования стружки показывает, что пластическое деформирование поверхностного слоя при резании связано с действием напряжений перед резцом и ниже линии среза, а также с контактным взаимодействием задней поверхности инструмента с деталью. Режущая кромка инструмента, даже после тщательной доводки представляет собой сложную криволинейную поверхность с переменным радиусом кривизны r (рис. 3.10): r = 0,02 - 0,2 мм
Рис.3.10. Схема взаимодействия режущей кромки с обрабатываемой поверхностью Часть режущей кромки AB, расположенная ниже центра давления стружки, характеризуется отрицательными значениями передних углов g в каждой точке (g ³ 45°). Эта часть режущей кромки при движении резца пластически деформирует поверхностный слой, вызывая появление в нем дополнительных внутренних напряжений, которые частично релаксируют после снятия нагрузки. Размер детали изменяется на величину D a, но полного восстановления не происходит. Необратимые изменения, вызванные пластической деформацией поверхностного слоя, проявляются в изменениях микротвердости по сечению детали и наблюдаются после механической обработки пластичных материалов (рис. 3.11). Степень упрочнения (наклепа) зависит от температурно-силовых условий на поверхностях контакта, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, скорости деформации. Установлено, что глубина наклепа уменьшается при снижении скорости дислокаций, т. е. с ростом твердости материала. Действительно, в хрупких, твердых материалах, закаленных сталях, чугунах размеры зоны пластической деформации очень незначительны. Степень упрочнения экспериментально устанавливают путем измерений микро твердости H20 и последующего расчета по формуле:
где: H 20 и H vc - результаты измерений H v на расстоянии 10 - 20 мкм от поверхности образца и в недеформированной зоне. Остаточное напряжения определяют методами рентгеноструктурного анализа или послойным электрохимическим травлением. Зависимость характеристик упрочнения от скорости резания при точении жаропрочного сплава ЭП868 резцом из твердого сплава ВК8 показана на рис. 3.11.
Рис. 3.11 Распределение микротвердости в зоне резания
Как видно из рис. 3.11, микротвердость немонотонно изменяется вдоль оси OX, дважды достигая максимума. Первый максимум связан с пластическим деформированием перед резцом ниже линии среза. Движущаяся перед резцом волна сжимающих напряжений вызывает пластическую деформацию материала детали, упрочнение и повышение его микротвердости. Однако по мере приближения к вершине материала детали разупрочняется вследствие повышения температуры. Вторичная пластическая деформация, названная контактным взаимодействием на задней поверхности резца, вновь приводит к упрочнению обрабатываемого материала и, следовательно, к новому повышению его микро твердости. Интенсивность вторичного упрочнения зависит от характеристик молекулярного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов. В зоне упругого контакта на задней поверхности инструмента наблюдается некоторое разупрочнение обрабатываемого материала, что связано с упругим восстановлением поверхностного слоя. Зависимости H v20(V) и N (V) показаны на рис. 3.12. Установлено, что минимальные значения H v20 и N соответствуют оптимальной скорости резания, при которой работа, затрачиваемая на резание и скорость размерного износа инструмента минимальны. Внешнее магнитное поле, созданное в поле деформации с помощью катушки, установленной на резце, уменьшает уровень тангенциальных остаточных напряжений, глубину упрочненного слоя и степень наклепа (рис. 3.8). Это связано с уменьшением в магнитном поле коэффициента трения на поверхностях инструмента и пластических деформаций срезаемого слоя. Полученные данные позволяют рассматривать магнитное поле как фактор управления качеством поверхности детали и работоспособностью режущего инструмента.
Рисунок 3.12. Влияние скорости резания на микро твердость и степень N наклепа.
Предварительный подогрев зоны резания при точении и фрезеровании заготовок в интервале температур от 20 до 600°С снижает глубину и степень наклепа, высоту микро неровностей обработанной поверхности и обеспечивает повышение таких эксплуатационных показателей, как длительная прочность и выносливость. Упрочнение инструмента связано с количеством энергии, которое материал может поглотить до разрушения, и может быть осуществлено в процессе механической обработки. Поглощается скрытая энергия деформации в малых объемах. Приращение внутренней энергии при этом составляет около 0,5 ¸ 3% и определяется:
где: a - угол между вектором Бюргерса и осью дислокаций. Тепловая энергия дислокаций:
где: q o = 8 10-9 дис - энергия химической связи.
Упругая энергия дислокаций:
Предельное значение температуры, при которой инструмент упрочняется самопроизвольно:
где: l - коэффициент теплопроводности.
Толщина дефектного слоя:
где: sтр - напряжение трения.
Условие образования частиц износа:
где: Толщина дефектного слоя:
где: Pk - контактное давление; Lтр - путь трения.
Сопротивление сдвигу при резании и изменения всех вышеперечисленных параметров зависят от вида и устойчивости диссипативных структур, образующихся в трибосистеме при ее движении к равновесию. Таким образом, упрочнение контактирующих поверхностей стружки, инструмента и изделия является неотъемлемым признаком процесса резания любых материалов, способных к пластической деформации. Положительное влияние поверхностного упрочнения связано с повышением эксплуатационных свойств изделий, выносливости, длительной прочности, усталостных характеристик. Отрицательное влияние наклепа обусловлено тем, что остаточные напряжения в поверхностном слое распределяются неравномерно. При этом впадины микронеровностей на обработанной поверхности становятся концентраторами напряжений, которые способны вызвать изменение формы и размеров детали после механической обработки и даже привести к преждевременному разрушению. Для уменьшения вредного влияния наклепа на работоспособность изделий рекомендуется производить механическую обработку при оптимальных режимах резания, тщательно заточенным и доведенным инструментом, с применением смазочно-охлаждающих средств, уменьшающих силы трения. Степень и глубина упрочненного поверхностного слоя возрастают при увеличении толщины и ширины среза, т. е. при черновых операциях. Поэтому необходимо предусматривать в технологических процессах смягчающие обработки – отжиг, искусственное и естественное старение.
3.3. Виды и причины износа. Способы его снижения
В процессе эксплуатации режущая часть инструмента подвергается действию высоких усилий резания, сил трения между поверхностями и кромками инструмента, заготовки, стружки. В результате превращения работ сдвиговых, пластических, упругих деформаций в тепловую энергию поверхности в зоне формообразования разогреваются, что еще больше усложняет условия эксплуатации инструмента. Деформационные и тепловые явления в зоне резания приводят к разупрочнению поверхностей инструмента и заготовки, интенсифицируются процессы их диффузионного, адгезионного химического взаимодействия, окисление в результате действия высоких (до 1000оС) температур. Все эти факторы являются причинами проявления различных видов износа, который усложняет условия резания, приводит к нарушениям (отклонениям) формы и размеров поверхностей, чистоты обработки и других технических требований по точности и качеству. В конечном итоге износ достигает критической величины, при которой отклонения по качественным показателям превышают допустимые и дальнейшую обработку производить недопустимо. Критический износ соответствует периоду времени (период стойкости) в течение которого обработанная поверхность соответствуют всем техническим требованиям и показателям качества. Различают следующие основные виды износа: абразивно-механический, диффузионный, адгезионный, микрорастрескивание, пластическая деформация, сколы, катастрофическое разрушение (излом). Абразивно-механический износ – возникает в результате истирающего действия микрочастиц (абразива) материалов заготовки и инструмента попадающих между ними в зазоры, а также истирающего действия от сил трения самих контактирующих поверхностей. Проявляется в виде образования фаски износа (f) по задней поверхности и притупления по радиусу при вершине инструмента. Допускаемая величина фаски износа измеряется в мм (мкм) и может принимать значения от f=0,1 мм. до 0,8 мм. (в зависимости от вида обработки). Образование фаски износа является неизбежным явлением при обработке и подлежит контролю, причем чаще всего контролируется не сама величина фаски, а погрешности и отклонения размеров, формы, шероховатости и т.д. на обработанной поверхности. Диффузионный износ – появляется в результате размягчения поверхности заготовки под действием высоких температур, перехода (приближения) к предплавильному состоянию. «Полужидкие» слои материалов заготовки и инструмента перемешиваются (диффундируют), взаимодействуют друг с другом и постепенно уносятся с передней поверхности. Одним из проявлений диффузионного износа является образование лунки износа. Адгезионный износ – результат температурного и химического взаимодействия, «схватывания» материалов заготовки и инструмента и периодического отрывания образующихся наростов. Микрорастрескивание – результат ударных, прерывистых нагрузок при резании, либо недостаточной ударной вязкости, пластичности и прочности материала инструмента. Микротрещены постепенно сливаются и вырастают в магистральную трещину, что приводит к образованию сколов, т.е. существенному изменению геометрии режущей части и снижению качества обработки. Пластическая деформация – нарушение формы при вершине когда режущий клин и материал режущей кромки инструмента в виде вязко-пластичного течения – результат недостаточной прочности и твердости материала инструмента. Катастрофическое разрушение в виде излома – мгновенное, единовременное разрушение режущего клина в виде крупных кусков. В обобщенном виде основные виды износа, их причины и способы предотвращения, либо снижения представлены в таб. 3.1.
Таблица 3.1 Виды износа, причины его возникновения и методы устранения.
4. СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ.
4.1. Работа резания и ее составляющие. Физические и технологические составляющие усилия резания.
Определение и анализ сил, действующих в зоне резания при работе инструмента – одна из наиболее важных проблем в теории и практике механической обработки. На основе данных о силовых характеристиках процессов резания решаются проблемы конструирования станков, инструментов, приспособлений, выбора материалов, для изготовления наиболее нагруженных узлов оборудования. Силы резания определяют не только требуемую мощность приводов станков, их массогабаритные характеристики, но и такие параметры процесса резания как количество тепла в зоне деформации, износостойкость инструмента, точность обработки деталей. В общем случае работа сил резания А включает в себя работу, которая затрачивается на упругое (А упр) и пластическое (А пл) деформирование срезаемого слоя, образование новых поверхностей на детали, стружке и инструменте (А разр), преодоление сил трения на рабочих поверхностях режущего клина (А тр).
Относительная величина каждой из составляющих работы резания зависит от свойств контактирующих материалов, вида и режимов механической обработки. Наиболее энергоемким процессом в системе резания является пластическое деформирование срезаемого слоя (при обработке вязких, пластичных материалов). Работа упругих деформаций превалирует над остальными составляющими при резании твердых хрупких материалов. Работа сил трения составляет не более (0,05 - 0,15) A при обдирочных операциях, но является наиболее существенной А тр = (0,6 - 0,7) A при чистовой обработке. Соотношение составляющих работы резания зависит от времени работы инструмента, и состояния его рабочих поверхностей в данный момент времени. Первые теоретические расчеты сил, действующих на рабочих поверхностях инструмента, были выполнены К.А.Зворыкиным на основе схемы процесса образования стружки с единственной плоскостью сдвига. Системы сил на передней и главной задней поверхностях инструмента показаны на рис. 4.1. Из условия равенства сил действующих со стороны стружки на резец и, со стороны резца на стружку К.А.Зворыкин получил основные соотношения для расчета составляющих усилия резания.
Рис. 4.1. Система сил на передней и главной задней поверхностях инструмента. На рабочих поверхностях инструмента действуют силы нормального давления N п; N з и силы трения F п = m × N п; F з = m 1 N з; Очевидно, что аналогичные системы сил N i и F i действуют не только на передней и главной задней, но и на остальных рабочих поверхностях. Равнодействующая сил резания:
Силы трения F п, F з и нормального давления N п, N з определяют положение равнодействующих ` R, ` R п, `R з и называются физическими составляющими усилия резания. В связи с тем, что F п/ N п ¹ F з/ N з существует также и неравенство коэффициентов трения на передней и задних поверхностях инструмента: m ¹ m 1. Сила P сдв, осуществляющая сдвиг элемента стружки определяется путем проектирования равнодействующей` R на плоскости сдвига:
где: b×a - сечение среза; s сдв - предел прочности на сдвиг обрабатываемого материала.
На сопротивление сдвиговым деформациям срезаемого слоя влияет также сила `N сдв, определяемая как сумма проекций сил` N п и `F п на направление нормали к плоскости сдвига. Из рис. 4.1. следует, что:
Проектируя составляющие на направления OZ и OY, получим:
Направление OZ расположено в плоскости резания и потому P z может быть использовано при расчете мощности привода главного движения. Кроме описанного расчета для определения усилий используются гипотезы о равенстве сил при сдвиге и резании, равенстве напряжений и равенстве работ деформаций, на основе которых были установлены взаимосвязи между P, z и т.д. Физические составляющие усилия резания полностью определяют нагрузки на рабочих поверхностях инструмента. Однако, использовать уравнения (4.3.) для силовых расчетов затруднительно по следующим причинам: -в расчетные формулы входит угол наклона плоскости сдвига Ф, определяемый только экспериментально; -в условиях резания значения коэффициентов трения не являются постоянными (для данных пар контактирующих материалов) величинами. Они изменяются от 0,004 до 6 (т.е. примерно на 3 порядка) вследствие изменения механизмов трения (Подробный анализ см. в разделе «Виды и механизмы износа»), поэтому использование справочных значений m для трения скольжения недопустимо; -формулы не учитывают динамических изменений сил резания, обусловленных процессом образования стружки, износом инструмента и вибрациями в системе резания; -величины, направления составляющих и равнодействующих R п, R з, R усилия резания изменяются в процессе резания вследствие износа инструмента, что существенно снижает точность теоретических расчетов (рис. 4.2).
Рисунок 4.2. Технологические составляющие усилия резания.
Поэтому для силовых расчетов чаще и эффективнее используют эмпирические зависимости, устанавливающие связь технологических составляющих усилия резания P x, P y, P z с параметрами режима обработки и условиями резания. Схема разложения равнодействующей усилия резания на составляющие, расположенные в прямоугольной системе координат приведена на рис. 4.2. Из рис. 4.2 следует:
Это разложение силы имеет определенную цель. Составляющая P z служит для определения крутящего момента M кр, необходимого для расчета зубчатых колес и валов механизма главного движения. Составляющая P x нужна для расчета звеньев механизма подачи и, наконец, P y - радиальная составляющая - для расчета станины и частей суппорта станка. Для d = 60°; a = 8°; j = 45° приближенно P y = 1/3 P z; P x= 1/4 P z; Подставляя эти зависимости в формулу (4.7) получим: Р» 1,1 P z
  ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...  Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...  Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
, (3.3)
, (3.4)
, (3.5)
(3.6)
, (3.7)
, (3.8)
, (3.9)
– предварительная упругая деформация; E – упругая накопленная энергия; ga – удельная энергия когезионной связи.
(3.10)
(4.1)
(4.2)
(4.3)
, (4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)