Физико-технологические основы методов обработки

Основные эксплуатационные свойства деталей машин зависят от точности их изготовления и качества поверхности.

В условиях эксплуатации машин и приборов внешним воздействиям в первую очередь подвергается поверхность детали.

Износ трущихся поверхностей, зарождение трещин усталости, коррозионное разрушение – это процессы, протекающие на поверхности деталей и в некотором прилегающем к поверхности слое. Под термином "поверхностный слой" понимается сама поверхность и её некоторый подповерхностный слой, отличающийся от материала сердцевины детали.

Учение о качестве поверхности относится к числу важных достижений советской технической науки, открывает новые возможности значительного повышения качества, надежности и долговечности деталей машин.и далее.

2.2. Влияние качества поверхности на износостойкость деталей машин

Недостаточная износостойкость деталей машин в значительной мере ограничивает производительность машинного парка, так как увеличение нагрузок на отдельные элементы машин или повышение скоростей в ряде случаев недопустимо вследствие быстрого износа и выхода ее из строя. Быстрый износ машин в условиях эксплуатации приводит к простоям, связанным с ремонтом и регулировкой, что вызывает большие материальные и трудовые затраты.

При трении и износе деталей машин на поверхности и в поверхностных слоях металла под влиянием внешних механических воздействий среды, материала трущихся пар, в зависимости от исходного состояния поверхности, теплоты трения возникают и развиваются механические, физические и химические процессы.

Из этих процессов наиболее существенными при износе являются процессы схватывания, окисления, усталостного и абразивного разрушения и далее.

2.2.1. Влияние параметров шероховатости на износостойкость деталей

Большое влияние на износостойкость поверхности детали оказывает шероховатость, особенно в период приработки, участок (О-А), т.е. когда имеет место переход от исходного состояния поверхности к рабочему (см. рис. 2.2). В этот период происходит разрушение исходных неровностей и образование новых; изменяются также физико-механические свойства поверхностных слоев

Износ шероховатости поверхности происходит следующим образом: в начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит только по вершинам микронеровностей. При этом площадь фактического касания является небольшой, и на контактных площадках возникают большие удельные давления, часто и далее.

2.2.2. Влияние физико-механических параметров на износостойкость деталей

Физико-механические параметры качества поверхности и состояние структуры поверхностного слоя также оказывают большое влияние на износостойкость.

Значительно снижают износостойкость деталей такие структурные дефекты поверхности, как ожоги, возникающие при шлифовании.

Наклеп поверхностных слоев может приводить к повышенно износостойкости в условиях всех основных видов износа, за исключением абразивного. Наклеп поверхностного слоя, сопровождаемый повышением микротвердости и далее.

2.3. Влияние качества поверхности на усталостную прочность деталей машин

Усталостью металлов называется их разрушение при многократном (порядка 10⁶-10⁷циклов) повторении нагружения под действием внешних нагрузок, вызывающих напряжения, значительно меньшие предела их статический прочности.

Усталостная прочность деталей машин зависит от шероховатости поверхности, направления и формы следов обработки, глубины и степени наклепа, величины и знака остаточных напряжений. Чувствительность материала к усталости растет по мере увеличения его твердости.

Большое количество деталей современных машин при работе подвергаются действию циклических нагрузок.

Причиной потери этими деталями работоспособности является "усталость" материала деталей. Разрушение металла от усталости происходит вследствие возникновения на поверхности изделия микроскопических трещин, постепенно развивающихся в глубину его сечения. Ослабленное усталостными трещинами сечение изделия разрушается под действием сравнительно небольших внешних нагрузок.

Изучением проблемы повышения надежности и долговечности деталей машин наука занимается более 100 лет. Большой вклад в разработку проблемы усталости металлов внесен нашими отечественными учеными: Н.Н. Афанасьевым, Н.Н. Давиденковым, В.С. Ивановой, И.В.Кудрявцевым, И.А.Одингом, С.В.Серенсеном и др. Однако знания об этом явлении еще не настолько глубоки и обширны, чтобы считать природу усталости окончательно выясненной. Так, условия работы современной космической и авиационной техники существенно отличаются от условий работы машин и механизмов общего машиностроения. Космические аппараты испытывают значительные циклические нагрузки сверх-высоких частот (десятки и сотни тысяч герц); авиационные конструкции работают в условиях высоких и сравнительно редких, повторных нагрузок. Механизм влияния качества поверхности на усталостную прочность в этих случаях существенно отличается от того, который действует в области невысоких напряжений, характерных для условий обычной усталости. Практически не известно еще поведение конструкций и отдельных деталей в условиях глубокого вакуума, сверхнизких температур, атомного излучения и далее.

2.3.1. Механизм усталостного разрушения

Усталостное разрушение, как и любой другой вид разрушения, является результатом поглощения критическим объемом металла предельной для данной кристаллической решетки удельной энергии. Для усталостных разрушений характерны следующие три стадии:

стадия I -накопление произвольно распределенных по объему металла обособленных микропор и микротрещин;

стадия II - развитие трещин по границам зерен, двойников и в полосах скольжения;

стадия III - развитие магистральной трещины в материале, пронизанном системой мелких трещин.

В первый период под действием рабочих (циклических) - нагрузок происходят сдвиги в кристаллах и далее.

2.3.2. Влияние макро- и микротрещин поверхности на циклическую прочность деталей

Многолетний опыт эксплуатации различных конструкций, статистика аварий, многочисленные экспериментальные исследования убеждают в том, что, как правило, разрушения начинаются с поверхности. Качество поверхности является одним из главнейших факторов, определявших усталостную прочность деталей.

Наличие на поверхности детали, работавшей в условиях циклических нагрузок, отдельных дефектов и шероховатостей, способствует концентрации напряжений, величина которых может превысить предел усталости металла. В этом случае поверхностные дефекты играют роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений поверхностного слоя металла, являющихся главной причиной образования усталостных трещин.

По С.В. Серенсену [53] степень концентрации напряжений на дне обработочных рисок можно определить путем вычисления коэффициента концентрации.

Предполагая равномерное распределение обработочных рисок по всей поверхности, коэффициент концентрации можно подсчитать по формуле и далее.

2.3.3. Зависимость усталостной прочности деталей от
физико-механических свойств поверхностного слоя

Наряду с изменением микрогеометрии поверхности в процессе механической обработки происходят значительные изменения физико-механических свойств: пластически деформируется (наклепывается) вследствие силового воздействия инструмента поверхностный слой, а нагрев обрабатываемого материала, сопровождающий механическую обработку, вызывает фазовые превращения в поверхностном слое металла.

Наклеп поверхностного слоя обычно характеризуется глубиной и величиной остаточных напряжений и микротвердости. С увеличением глубины и интенсивности наклепа усталостная прочность металлов повышается. Изменение характеристики наклепа зависит от метода и режима обработки. При пластическом деформировании имеет место дробление и изменение ориентации блоков и зерен, увеличение линейной дефектности, т.е. происходит изменение структуры, характерное для механического наклепа.

Степень упрочнения поверхностного слоя при резании оказывает двойственное влияние на предел усталости сталей. Предел усталости снижается, если упрочнение вызывает растягивающие остаточные напряжения, получающиеся при низких скоростях резания. Сжимающие напряжения, полученные на высоких скоростях резания, значительно повышают усталостную прочность деталей.

Влияние упрочнения поверхностного слоя, созданного механической обработкой, исследовано многими авторами [50]. Показано, что при обточке и полировании усталостная прочность возрастает на 20-25% за счет наклепа. При изменении режимов резания изменяется высота шероховатостей и величина наклепа, а вследствие этого изменяется и усталостная прочность деталей.

Д.Д. Папшев исследовал влияние режимов силового резания на качество поверхностного слоя и усталостную прочность [46]. Анализируя результаты исследований, автор отмечает, что усталостная прочность стальных изделий определяется величиной наклепа поверхностного слоя, характером и величиной остаточных напряжений в нем и шероховатостью обработанной поверхности. Увеличение глубины и степени наклепа благоприятно отражается на усталостной прочности. Величина предела выносливости, как это показано на рис.2.5, повышается с увеличением глубины h и далее.

2.4. Влияние качества поверхности на коррозионную стойкость деталей машин

Детали машин, приборов и аппаратов в реальных условиях эксплуатации работают в различных средах (влажный воздух, вода и водные растворы, смазочные масла, кислоты, щелочи и другие среды), при различных температурах и давлениях.

В этих условиях разрушение деталей может происходить без их взаимного контактирования. Долговечность таких деталей определяется их коррозионной стойкостью, т.е. способностью металла сопротивляться действию химических и электрохимических процессов. Кроме того, находясь в таких условиях, ряд деталей может испытывать и действие знакопеременных нагрузок. Долговечность таких деталей определяется коррозионно-усталостной прочностью.

Коррозионное разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. В связи с этим состояние поверхности в значительной степени влияет на ее взаимодействие с внешней средой.

Поверхность металла, имея характерный для данного вида обработки рельеф, несет на себе большое количество дефектов в виде царапин, трещин, надрезов, сдвигов и т.д. Возле этих мест обычно начинается развитие коррозионных процессов и разрушение.

Шероховатость поверхности оказывает большое влияние на коррозионную стойкость деталей машин. С уменьшением шероховатости поверхности коррозионная стойкость повышается.

На грубошероховатой поверхности вещества, вызывающие коррозию, осаждаются во впадинах и углублениях, коррозия распространяется в направлении основания гребешков, в результате чего они под воздействием силы трения отрываются от поверхности, образуя новые впадины и выступы, и таким образом появляются новые очаги коррозии и далее.

2.5. Формирование параметров качества поверхности
при механической обработке детали

Параметры качества поверхности зависят от многих факторов:

- метода обработки;

- режимов резания;

- геометрических параметров и качества поверхностей режущей части инструмента;

- пластической и упругой деформации обрабатываемого материала;

- жесткости технологической системы и связанных с ней вынужденных колебаний и вибраций при резании;

- смазочно-охлаждающей жидкости;

- метода получения заготовки и далее.

2.5.1. Формирование шероховатости поверхности

На шероховатость поверхности, обработанной резанием, оказывает влияние большое число факторов. В частности, высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок зависят от принятого вида и режима обработки; условий охлаждения и смазки инструмента; химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала; конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента; типа и состояния используемого оборудования, приспособлений.

Различные факторы, влияющие на шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы:

- факторы, связанные с геометрией процесса резания;

- пластическая и упругая деформация обрабатываемого материала;

- вибрации режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Процесс возникновения неровностей вследствие геометрических причин принято трактовать как копирование на обрабатываемой поверхности траектории движения и формы режущих лезвий. С геометрической точки зрения величина, форма и взаимное расположение неровностей (направление обработочных рисок) определяются формой и состоянием режущих лезвий и теми элементами режима резания, которые влияют на изменение траектории движения режущих лезвий относительно обрабатываемой поверхности и далее.

2.5.2. Деформационное упрочнение (наклеп)

При обработке заготовок резанием под действием прилагаемых сил в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, сопровождающаяся его деформационным упрочнением (наклепом). Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастает с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя.

Одновременно с упрочнением (под влиянием нагрева зоны резания) в металле поверхностного слоя протекает отдых (разупрочнение, возврат), возвращающий металл в его первоначальное ненаклепанное состояние.

Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового фактора.

Степень и глубина распространения наклепа изменяются в зависимости от вида и режима механической обработки и геометрии режущего инструмента. Изменение режима резания, вызывающее увеличение сил резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Рост продолжительности воздействия сил резания на металл поверхностного слоя приводит к увеличению глубины распространения наклепа и далее.

2.5.3. Остаточные напряжения поверхностного слоя

Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке объясняется следующими причинами:

1. Под воздействием режущего инструмента на поверхность обрабатываемого материала в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обуславливает рост удельного объема, достигающий 0,3-0,8% удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже. Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях - растягивающие остаточные напряжения.

2. Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементарную стружку, деформирует (вытягивает) кристаллические зерна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластические деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность (в свою очередь) способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения.

3. При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания происходит их до¬полнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т.е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях). Это приводит к появлению в направлениях скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения и далее.

2.5.4. Пути улучшения качества поверхностного слоя деталей машин

1. Показатели качества поверхности могут быть улучшены путем применения как обычных методов, осуществляемых на оптимальных режимах, так и отделочно-упрочняющих методов обработки.

2. На финишных операциях механической обработки окончательно формируется поверхностный слой деталей машин. Однако на результат этого формирования оказывают влияние предшествующие операции, включая заготовительные (явление технологической наследственности). Следовательно, припуски на обработку, а также последовательность выполнения операций устанавливают с учетом технологической наследственности так, чтобы сохранить у детали положительные качества (наклеп поверхностного слоя, высокую поверхностную твердость, остаточные напряжения сжатия и др.) или, наоборот, устранить отрицательные качества (дефектный слой, различные виды отклонения формы и расположения поверхностей и др.).

3. Управляя финишной операцией, можно получить поверхностный слой, отвечающий требованиям, заданным чертежом и техническими условиями и далее.

2.6. Методы и средства оценки качества поверхности

2.6.1. Измерение шероховатости поверхности

2.6.1.1. Количественные методы оценки шероховатости

Оптические приборы. Из оптических приборов большое применение нашли двойной микроскоп и микроинтерферометр академика Линника.

Микроскоп двойной типа МИС-11 основан на методе "светового сечения". Этот метод впервые был предложен в СССР академиком Лин-ником, им же была разработана и первоначальная конструкция микроскопа. С его помощью можно производить замеры шероховатости поверхностей плоских и цилиндрических с Rz=80-160 мкм.

Интерференционный микроскоп МИИ-5 является специальным прибором, в поле зрения которого одновременно видны исследуемая поверхность и интерференционные полосы. В местах выступов или впадин на исследуемой поверхности интерференционные полосы искривляются.

Величина искривления полос характеризует неровность поверхности и измеряется винтовым окулярным микрометром. Микроскоп предназначен для измерения шероховатости поверхности с Rz=0,16-0,025 мкм и далее.

2.6.1.2. Качественные методы оценки шероховатости

Шероховатость поверхности методом сравнения их с эталоном часто оценивают в производственных условиях. Эталоны изготавливаются из различных материалов с шероховатостью обработанной поверхности, соответствующей различным классам. Наборы эталонов изготавливаются также для разных видов механической обработки.

Оценку шероховатости по сравнению с эталоном следует производить с помощью лупы. Более точно эту оценку можно осуществить, используя микроскоп сравнения. Микроскоп сравнения позволяет просматривать одновременно обе поверхности - эталона и проверяемой детали.

2.6.2. Измерение микротвердости

Микротвердость, глубину и степень наклепа определяют по методу Хрущева-Берковича по ГОСТ 9450-76 путем вдавливания в испытываемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° под нагрузкой от 0,0196 до I,96 H [17].

Метод определения микротвердости широко используют для определения твердости очень тонких слоев (азотированного, цианированного), изделий небольших размеров, отдельных структурных составляющих сплавов и т.д.

Поверхность образца для определения микротвердости проходит специальную подготовку: делается микрошлиф и затем протравливается для выявлений микроструктуры. Желательно делать косые срезы с целью получения большего числа точек, а значит, и более точного определения глубины наклепа.

Для измерения микротвердости применяются приборы ПМТ-3, ПМТ-5. Прибор имеет рычажное устройство для нагружения алмазной пирамиды, два сменных объектива и окуляр-микрометр для измерения диагонали отпечатков и далее.

2.6.3. Определение остаточных напряжений

Основными методами определения остаточных напряжений являются механические и рентгеновские. Весьма перспективными для промышленного применения являются электрофизические методы, при которых остаточные напряжения определяются по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя.

Механические методы определения остаточных напряжений получили наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследствие того, что в них используются такие же представления о напряжениях и деформациях механики твердого тела, как и при расчетах деталей на прочность, жесткость и устойчивость.

Механические методы основаны на предположении, что при разрезке или удалении части детали с остаточными напряжениями у оставшейся части детали на вновь образовавшихся поверхностях имеют место эквивалентные напряжения, обратные по знаку удаленным. Эти обратные напряжения вызывают деформацию детали. Измерив возникшие деформации, можно вычислить остаточные напряжения.

Рассмотрим механический метод для определения остаточных напряжений I рода в поверхностном слое сплошного цилиндрического стержня. Этот метод основан на измерении деформации, возникающей при постепенном стравливании металла по его полуцилиндрической поверхности (метод Н.Н.Давиденкова). Перед травлением образцы обезжиривают ацетоном и покрывают химически стойким лаком таким образом, чтобы осталась непокрытой цилиндрическая поверхность, с которой стравливается поверхностный слой и далее.

2.6.4. Определение структуры поверхностного слоя

Металлографический метод исследований позволяет изучать внутреннее строение сплавов при помощи макро- и микроскопических анализов.

Макроскопический анализ - исследование металлов невооруженным глазом или при помощи лупы при небольших увеличениях (до 30 раз) – применяется для выявления пористости, раковин, трещин и т.д.

Микроскопический анализ - исследование металлов при небольших увеличениях (до 2000 раз) при помощи металлографических микроскопов – применяется для определения химического состава некоторых составляющих, выявления микротрещин и изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различных режимов обработки.

Для определения микроструктуры металлов изготовляют микро-шлифы и протравливают поверхность.

Применяют металлографические микроскопы, которые позволяют рассматривать при увеличении непрозрачные тела в отраженном свете. По устройству различают микроскопы вертикальные и горизонтальные. Промышленностью выпускаются вертикальные металлографические микроскопы типа МИМ-6, МИМ-7 и горизонтальные МИМ-3, МИМ-8.

Оглавление