ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

При резании поверхностный слой обрабатываемой детали пластически деформируется и изменяются его физико-механические свойства:

- повышаются все характеристики сопротивления пластической деформации (пределы прочности и текучести, твердость и микротвердость);

- понижается пластичность (относительное удлинение и поперечное сужение);

- появляются упругие искажения кристаллической решетки, что создает препятствия перемещению дислокаций;

- изменяется форма и ориентация зерен и образуется текстура;

- появляются трещины внутри зерен и между ними;

- снижается плотность материала;

- повышается омическое сопротивление;

- изменяются усталостная прочность и износостойкость;

- снижается коррозионная стойкость.

Повышение прочностных свойств и твердости металла при его пластическом деформировании называют наклепом. Хотя пластическая деформация поверхностного слоя может характеризоваться многими показателями, чаще всего физико-механические свойства материала поверхностного слоя оцениваются тремя основными показателями:

1) степенью наклепа поверхностного слоя ΔН_v, вычисляемой как отношение разности наибольшей микротвердости наклепанного слоя Н_vни микротвердости ненаклепанного материала (сердцевины) Н_vс к Н_vс

ΔН_v= (4.22)

2) глубиной наклепанного слоя h_н;

3) величиной, характером распределения и знаком остаточных внутренних напряжений, действующих в поверхностном слое детали.

Исследования пластически деформированного поверхностного слоя при резании показывают, что между степенью наклепа и его глубиной существует связь:

h_н≈ k·ΔH_v. (4.23)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала детали и условий резания.

При несвободном резании острым резцом глубина наклепа

h=S· (4.24)

где Ф — угол сдвига; φ — главный угол в плане.

Зависимость справедлива при S / t < 0,3.

В большинстве случаев расчетная глубина наклепанного слоя удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Остаточные напряжения и наклеп являются следствием действия сил резания, нагрева материала обрабатываемой детали и структурных превращений. Для металлического инструмента остаточные напряжения в поверхностном слое большинства конструкционных материалов образуются главным образом под действием силового поля. Температура имеет второстепенное значение. При обработке хрупких материалов остаточные напряжения — сжимающие, а при обработке пластичных материалов — чаще всего растягивающие. При высокотемпературном режиме (обработка жаропрочных и жаростойких материалов) остаточные напряжения формируются вследствие высокой температуры поверхностного слоя и являются всегда растягивающими.

Рис. 4.18 Остаточные напряжения и микротвердость поверхностного слоя материала

На рис. 4.18 представлена эпюра изменения остаточных напряжений по нормали к обработанной поверхности. В слое толщиной 1—4 мкм (зона I) действуют сжимающие напряжения. В зоне II, протяженность которой зависит от режима резания и переднего угла инструмента, действуют растягивающие напряжения. Протяженность зоны II в 10 и более раз превосходит размеры зоны I, и поэтому состояние поверхностного слоя определяют характер и величина напряжений в зоне II; в зоне III действуют сжимающие напряжения, уравновешивающие действие остаточных напряжений первых двух зон. Распределение величины остаточных напряжений и микротвердости по глубине поверхностного слоя представлено на рис. 4.19. Наличие растягивающих напряжений в поверхностном слое ухудшает его качество, так как при этом снижается усталостная прочность; если остаточные напряжения превысят предел прочности материала обрабатываемой детали, это может привести к образованию поверхностных трещин.

Рис. 4.19 Распределение остаточных напряжений и микротвердости по глубине поверхностного слоя: сталь 12Х18Н9Т; резец ВК8; υ =75 м/мин; S = 0,09 мм/об; t = 0,5 мм (по А.Д. Макарову)

Главным фактором, определяющим параметры наклепанного слоя, остаточные напряжения и параметры тонкой структуры материала поверхности детали, является скорость резания. На рисунке 4.20 представлены результаты экспериментальных исследований влияния скорости резания на остаточные напряжения и степень наклепа при токарной обработке.

Рис. 4.20. Влияние скорости резания на степень наклепа и максимальные остаточные напряжения: сталь 12Х18Н9Т; резец ВК8; υ = 75 м/мин; S = 0,09 мм/об; t = 0,5 мм