КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Основные эксплуатационные свойства деталей машин зависят не только от точности их изготовления, но в значительной мере определяются качеством их поверхностей.

К а ч е с т в о п о в е р х н о с т и деталей машин опреде­ ляется совокупностью характеристик шероховатости поверхности, физико-механического состояния и микроструктуры металла по­ верхностного слоя и остаточных напряжений.

10.ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Понятие о шероховатости поверхности

Поверхность детали, отделяющая ее от внешнего пространства, называется технической поверхностью. Техническая поверхность детали образуется в процессе ее изготовления и является реаль­ ной поверхностью. В отличие от идеальной поверхности детали, изображаемой на чертежах, реальная техническая поверхность всегда имеет неровности различной формы и высоты.

Н е р о в н о с т я м и называются выступы и впадины с не­ большими расстояними между ними, возникающие на техниче­ ской поверхности.

Контур сечения технической поверхности плоскостью, нормаль­ ной к соответствующей геометрической поверхности, представляет профиль неровностей.

Совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах заданной базовой длины, представляет собой шероховатость по­ верхности.

Следует отметить, что в течение длительного времени в про­ мышленности и в технической литературе наряду с термином «шероховатость поверхности» применялись термины «микрогео­ метрия поверхности» и «чистота поверхности». При этом в термин чистота вкладывался смысл обратной величины шероховатости.

При введении в действие ГОСТа 2789—59 термины микрогеоме­ трия и чистота были упразднены и заменены единым термином шероховатость, как более отвечающим существу дела (при обра­ ботке деталей на их поверхности возникают неровности, обра­

максимальные числовые значения шероховатости R a или R z при базовых длинах I должны соответствовать указанным в табл. 10.

Классы чистоты поверхности 6—14 дополнительно разделяются

рядов необязательно. В условиях обычного машиностроения часто достаточно бывает разделения на классы чистоты, значения которых и проставляются в рабочих чертежах деталей машин.

Для обозначения всех классов чистоты поверхности устанав­ ливается один знак — равносторонний треугольник V, рядом с ним справа указывается номер класса или номер класса и раз­ ряд, например: V 7, V 76.

Сложность явлений, сопровождающих процесс обработки, и многообразие факторов, влияющих на образование неровностей, лишают их форму геометрической правильности и закономер­ ности. При этом форма и размеры неровностей, измеренные в раз­

зует п о п е р е ч н у ioJ£in е р о х о в а т о с т ь п о в е р х ­

но с т и .

Всвязи с тем, что на образование поперечной шероховатости оказывают непосредственное влияние такие существенные фак­ торы, как геометрическая форма режущего инструмента и вели­ чина подачи, не отражающиеся на величине продольной шерохо­ ватости, размеры поперечной шероховатости обычно в два-три раза превосходят величину продольной шероховатости. Поэтому оценку степени шероховатости поверхности и определение класса чистоты поверхности детали обычно производят измерением по­ перечной шероховатости.

Следует, однако, отметить, что при определенных условиях обработки, в частности при возникновении вибраций или при вы­

сокой степени пластической деформации металла поверхностного слоя, продольная шероховатость может резко возрасти и пре­ взойти по своей величине поперечную шероховатость. Совершенно очевидно, что в подобных случаях определение класса чистоты поверхности должно производиться измерением продольной, а не поперечной шероховатости.

Шероховатость поверхности детали, обработанной резанием, зависит от большого количества причин, связанных с условиями ее изготовления. В частности, высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок за­ висят от принятого метода и режима обработки, от условии ох­ лаждения и смазки инструмента, от химического состава и микро­ структуры обрабатываемого материала, от конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента, от типа и состояния исполь­ зуемого оборудования, вспомогательного инструмента и приспо­ соблений и т. д.

Все многообразие причин, определяющих шероховатость обра­ ботанной поверхности, можно объединить в три основные группы:

1)причины, связанные с геометрией процесса обработки;

2)причины, связанные с пластической деформацией обрабатывае­ мого материала;

3)причины, связанные с возникновением вибраций режущего инструмента.

При рассмотрении геометрических причин образования неров­ ностей процесс их возникновения принято трактовать как копиро­ вание на обрабатываемой поверхности траектории движения ре­ жущих лезвий определенной формы. Поэтому с геометрической точки зрения величина, форма и взаимное расположение неров­ ностей (направление обработочных рисок) определяются формой режущих лезвий и теми элементами режима резания, которые влияют на изменение траектории движения режущих лезвий от­ носительно обрабатываемой поверхности.

Пластические деформации обрабатываемого материала и виб­ рации искажают геометрически правильную форму и закономер­ ное распределение неровностей поверхности, в значительной сте­ пени увеличивая их высоту. В ряде случаев пластические дефор­ мации и вибрации вызывают появление продольной шероховатости, достигающей значительных размеров.

В различных условиях обработки преобладающее влияние на формирование шероховатости поверхности оказывает одна из трех указанных групп причин, что и определяет в конечном слу­ чае характер и величину шероховатости. Однако в отдельных слу­ чаях возможно одновременное влияние на процесс образования шероховатости всех указанных выше причин. Шероховатость об­ работанной поверхности в подобных случаях приобретает слож­ ный характер, лишенный четко выраженных закономерностей.

Влияние геометрии процесса обработки на шероховатость поверхности

Точение. При обработке деталей резцом за один оборот изде­ лия резец перемещается на величину подачи sx мм1об и переходит из положения 1 в положение 2 (рис. 71, а). При этом на обрабо­ танной поверхности остается некоторая часть металла, не снятая резцом и образующая остаточный гребешок т. Совершенно оче­ видно, что величина и форма неровностей поверхности, состоящая из остаточных гребешков, определяется чисто геометрически вели­ чиной подачи S! и формой режущего инструмента. Например, при уменьшении величины подачи до значения s2 высота неровностей

R z уменьшается до значения R"z (рис. 71, б).

Изменение значений главных углов в плане ср и срх меняет не только высоту, но и форму неровностей поверхности (рис. 71, в).

При использовании резцов с закругленной вершиной доста­ точно большого радиуса гг форма неровностей соответственно МС‘

няется и становится также закругленной (рис. 71, г). При этоУ увеличение радиуса закругления вершины’ резца до величины г2 приводит к уменьшению высоты шероховатости Rz (рис. 71, д)“ Исходя из приведенных соображений геометрического харак­ тера, проф. В. Л. Чебышев предложил определять высоту неров-

Рис. 71. Влияние подачи и углов в плане резца на шеро­ ховатость поверхности

ностей при резцовой обработке в зависимости от подачи и радиуса закругления резца по следующей формуле:

При точении резцами с небольшими радиусами закругления с использованием больших подач, когда в процессе образования неровностей участвует не только криволинейная часть режущей кромки резца, образованная радиусом закругления г, но и прямо­ линейный участок режущего лезвия t (рис. 71, е), формула Чебы­ шева видоизменяется, включая в себя значения главных углов в плане ф и <рх 112].

При изготовлении режущего инструмента и особенно при его затуплении на режущем лезвии инструмента образуются неров­

ности и зазубрины, определенным образом увеличивающие шеро­ ховатость обрабатываемой поверхности. В отдельных случаях полного копирования профиля зазубрин лезвия на обрабатывае­ мой поверхности при этом может и не произойти, так как пласти­ чески деформированный металл стружки и обрабатываемой по­ верхности иногда затекает в зазубрины режущей кромки и, ча­ стично затормаживаясь в их полости, делает их как бы более мелкими. В результате этого рост высоты шероховатости обрабо­ танной поверхности в некоторых случаях отстает от увеличения глубины зазубрин режущего лезвия [13]. Однако и в этих случаях влияние зазубрин лезвия на шероховатость обрабатываемой по­ верхности может быть значительным.

По имеющимся практическим данным, при затуплении режу­ щего инструмента и появлении на нем зазубрин шероховатость обработанной поверхности возрастает: при точении на 50—60%, при фрезеровании цилиндрическими фрезами на 100—115%, при фрезеровании торцовыми фрезами на 35—45%, при сверлении на 30% и при развертывании на 20%.

Следует заметить, что указанное увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности, происходящее при затуплении ре­ жущего инструмента, связано не только с геометрическим влия­ нием зазубрин, возникающих на режущем лезвии, но вызывается также увеличением радиуса округления лезвия, происходящим при затуплении инструмента. Увеличение радиуса округления лезвия повышает степень пластической деформации металла по­ верхностного слоя, что приводит к росту шероховатостей поверх­ ности.

Для устранения влияния зазубрин и притупления режущего лезвия рекомендуется тщательная (желательно алмазная) доводка инструментов и своевременная их переточка с тем, чтобы лезвие было на два-три класса чистоты выше требуемого класса чистоты обрабатываемой поверхности.

Приведенные данные дают основание для следующих выводов. 1. Увеличение подачи при точении влечет за собой значитель­

ный рост высоты неровностей.

2. При увеличении главного и вспомогательного углов резца в плане (<р и <px), т. е. при работе остроконечными резцами, высота неровностей возрастает.

При чистовой обточке целесообразно пользоваться проходными резцами с малыми значениями углов ф и и не следует без особой необходимости применять подрезные резцы *.

* Исключением из этого правила является случай обработки длинных валов малого диаметра, когда применение подрезных резцов может оказаться целе­ сообразным в связи с уменьшением отжатия и вибраций обрабатываемых дета­ лей, приводящих к снижению точности обработки (появление бочкообразности) и увеличению шероховатости поверхности (появление огранки и дробленой поверхности).

3.Увеличение радиуса закругления вершины резца снижает высоту шероховатости поверхности.

4.Для устранения влияния неровностей режущего лезвия ин­ струмента на шероховатость обработанной поверхности необхо­ димо проводить заточку и доводку инструмента таким образом, чтобы лезвие инструмента было на два-три класса выше требуемого класса чистоты обрабатываемой поверхности деталей.

Наряду с уменьшением шероховатости обрабатываемой поверх­ ности подобная доводка заметно повышает стойкость режущего инструмента, а следовательно, и экономичность его использо­ вания.

Фрезерование. Анализ, проведенный проф. А. И. Исаевым [14], показал, что при фрезеровании цилиндрическими фрезами гео­ метрия процесса обработки в отличие от точения оказывает влияние на образование продольной шероховатости, измеренной

внаправлении подачи, которая в связи с этим в большинстве слу­ чаев оказывается больше поперечной и принимается для общей оценки поверхности. При некотором упрощении высота неровно­ стей в этом случае может быть подсчитана по той же формуле Че­ бышева (130), что и для точения]

где sz — подача фрезы на зуб в мм; г — радиус фрезы в мм.

При наличии биения фрезы, когда ее геометрическая ось не совпадает с осью вращения и профиль неровностей фактически образуется наиболее выступающим зубом фрезы с фактическим

где z — число зубьев фрезы;

е — эксцентриситет (величина смещения оси симметрии фрезы относительно^оси ее вращения) в мм.

При торцовом фрезеровании высота и форма неровностей так же, как и при точении, геометрически определяются величиной подачи, радиусом закругления режущего лезвия зуба и значениями углов в плане ф и фх. Выступание отдельных зубьев и торцовое биение фрез в несколько раз^увеличивает высоту^неровностей фрезеро­ ванной поверхности по''сравнению с ее расчетной величиной.

Шлифование. При круглом наружном шлифовании к геометри­ ческим факторам образования шероховатости поверхности сле­ дует отнести: зернистость абразивных зерен, их форму и расстоя­ ние между ними, режим правки круга, скорость вращения круга,

скорость вращения изделия, величину продольной (осевой) по­ дачи изделия и количество ходов («выхаживания») круга без его поперечной подачи.

При шлифовании металла каждое абразивное зерно, участвую­ щее в резании, прорезает в металле канавку, соответствующую его размерам и форме. Абразивные зерна имеют удлиненную форму с соотношением длины к ширине в пределах 1,3—1,83. Угол между гранями зерен может изменяться от 40 до 150°, причем количество острых углов у вершин зерен (т. е. углов менее 90°) в среднем составляет 20—25%. При уменьшении размеров зерен количество острых углов у вершин возрастает и при зернистости М28 дости­ гает 40—45%. Среднее значение углов при вершинах зерен изме­ няется в зависимости от зернистости и материала абразива от 91,5 до 110° (зернистости от М28 до 40). Величина радиуса закру­ гления вершины зерен также изменяется в зависимости от зер­ нистости и материала абразива: от 0,0007 мм для зернистости М28 до 0,1 мм для зернистости 40. Расстояние между зернами в круге зависит от его зернистости, уменьшаясь с уменьшением размеров зерна.

При правке абразивного круга алмазом на его поверхности возникают винтовые неровности, профиль которых переносится на обрабатываемую поверхность, в значительной мере определяя шероховатость последней.

При уменьшении подачи алмаза при правке круга и соответ­ ствующем уменьшении шага и высоты винтовых неровностей круга, созданных правкой, шероховатость шлифованной поверхности сни­ жается. При значительном уменьшении подачи алмаза при правке круга (до величины 0,01—0,02 мм1об круга вместо обычно при­ меняемой подачи порядка 0,1—0,4 мм1об круга) влияние винто­ вых неровностей круга, созданных правкой, становится ничтож­ ным и шероховатость обработанной поверхности в значительной мере определяется зернистостью круга, формой и расположением (расстояниями) абразивных зерен.

В этом случае при шлифовании стальных изделий успешно до­

при шлифовании также оказывает влияние на образование шеро­ ховатости поверхности, что принципиально отличает процессы обработки фрезерованием и шлифованием. Это связано с тем, что абразивный круг не имеет сплошной режущей кромки, подобной лезвиям фрез, и при шлифовании на поверхности изделия возни­ кает ряд впадин, копирующих профиль и расположение зерен круга.

Вследствие беспорядочного расположения зерен при втором проходе круга по прошлифованной поверхности абразивные зерна в значительной мере попадают на участки несрезанного металла,

прорезай новые канавки и уменьшая высоту неровностей. Если профиль прорезаемых зернами канавок условно принять за тре­ угольный, то при каждом новом касании кругом обрабатываемой поверхности, как показал проф. Е. Н. Маслов [25], высота со­ зданных при первом проходе неровностей уменьшается по законо­ мерности

где R z — высота неровностей после п-го прохода круга;

п— число проходов (касаний) круга по данному участку поверхности;

R z — высота неровностей, созданных при первом проходе круга.

Формула хорошо отражает общие закономерности уменьшения шероховатости при снижении продольной подачи и дополнитель­ ных проходах круга без поперечной подачи (при «выхаживании») и раскрывает сущность геометрического влияния скорости вра­ щения круга на высоту шероховатости обработанной поверхности. Так, например, при шлифовании изделия диаметром 50 мм со скоростью изделия 18 MIMUH кругом 0 300 мм при скорости реза­ ния 30 м/сек с глубиной шлифования 0,025 мм длина дуги контакта составляет 1,1 мм. Если считать, что реальное влияние на высоту шероховатости определенного сечения изделия абразивные зерна оказывают только в момент нахождения этого сечения возле пло­ скости осей круга и изделия на длине контакта всего 0,01 мм, то ряды абразивных зерен четыре раза пересекают рассматриваемое сечение, уменьшая высоту неровностей, прорезанных первым

рядом зерен, в отношении Rz = 0,004#£ач Это приближает ус­ ловия резания абразивными зернами к условиям фрезерования сплошной режущей кромкой.

На рис. 72 показано [26] влияние скорости круга и его зер­ нистости на высоту неровностей шлифованной поверхности. Как следует из рисунка, при увеличении скорости круга с 8 до 30 м/сек высота неровностей снижается при зернистости 40 более чем в че­ тыре раза. При меньших размерах абразивных зерен (зернистость 25) эффект влияния повышения скорости круга естественно сни­ жается.

При уменьшении размеров зерен высота неровностей, копи­ руемых на шлифованной поверхности, уменьшается, что особенно заметно при сравнительно небольшой скорости круга. При боль­ шой скорости круга, когда происходит значительное выравнивание и уменьшение начальных неровностей, значение зернистости круга уменьшается.

Влияние скорости вращения изделия на шероховатость по­ верхности противоположно влиянию скорости круга. С повыше­ нием скорости вращения изделия, при сохранении неизменной

скорости круга, число рядов абразивных зерен, пересекающих данное сечение поверхности, уменьшается, а размеры участков несрезанного металла и высота неровностей возрастают.

Важным геометрическим фактором образования шлифованной

на один оборот изделия шероховатость поверхности снижается. Шлифование без поперечной подачи (выхаживание) с геометри­ ческой точки зрения оказывает такое же влияние, как и уменьше­ ние продольной подачи круга. При увеличении числа ходов выха-

Рис. 73. Образование продольной шероховатости при шлифовании

живания шероховатость поверхности снижается до определенного предела, зависящего от зернистости круга.

В связи с беспорядочным расположением зерен круга по его периферии, а также с различной глубиной их залегания в связке, продольные неровности шлифуемой поверхности представляют собой совокупность очерченных дугами различного радиуса вы­ ступов и впадин, бессистемно расположенных по поверхности (рис. 73). При увеличении скорости вращения круга и при умень-

шёнйй скорости вращения изделия число зёрен, пересекающих определенные сечения шлифуемой поверхности, увеличивается. При повышении скорости круга совокупность его абразивных зерен приближается к сплошному режущему лезвию как в осевом направлении, так и по окружности, и продольные шероховатости выравниваются и уменьшаются по высоте.

Влияние пластических деформаций металла поверхностного слоя на шероховатость поверхности

При обработке резанием пластичных материалов поверхност­ ный слой детали сильно деформируется, теряет свою мелкокри­ сталлическую структуру и приобретает специфическое волокнистое строение, обладающее иными физическими свойствами. При этом значительно изменяются геометрическая форма и величина неров­ ностей обработанной поверхности (обычно шероховатость при этом увеличивается).

При обработке хрупких металлов наблюдается вырывание от­ дельных кристаллических зерен, что также ведет к увеличению размеров и изменению формы неровностей.

Точение. .Одним из наиболее существенных факторов, влияю­ щих на процесс образования шероховатостей при обработке ре­ занием, является с к о р о с т ь р е з а н и я .

При малых скоростях резания углеродистых машиноподелоч­ ных сталей (сталь 30, сталь 40, сталь 50) порядка v = 1 м/мин развивается сравнительно небольшая температура; образуется элементная стружка. Отделение стружки происходит легко, без заметных деформаций верхнего слоя обрабатываемой поверхности. Неровности на обрабатываемой поверхности незначительны.

При увеличении скорости резания до 20—40 м/мин в процессе образования стружки выделяется большое количество теплоты, которая вместе с возросшим давлением резания вызывает пласти­ ческое течение отделяемого металла вдоль передней и задней по­ верхностей резца. В некоторый момент под действием больших уси­ лий, прижимающих слои металла к передней поверхности резца, и высоких температур, увеличивающих коэффициент трения, слои металла привариваются к передней (и отчасти задней) поверхности, образуя так называемый нарост, или фальшивый нос.

При скоростях резания 20—40 м!мин величина нароста ока­ зывается наибольшей, а сам нарост наиболее устойчивым.

При дальнейшем повышении скорости резания продолжается увеличение количества тепла, выделяемого в процессе стружкообразоваиия. При этом нарост нагревается быстрее остальной части зоны деформации и разупрочняется. В результате этого силы сце­ пления отдельных частиц нароста уже не могут оказать достаточ­ ного сопротивления силам трения стекающей стружки, и частицы металла застойной зоны уносятся вместе со стружкой. Величина

нароста Сокращается, и в интервале скоростей 30—60 м/мин нарост исчезает. При последующем повышении скорости резания наростов на резце не образуется.

Шероховатость обработанной поверхности в значительной сте­ пени связана с процессами образования стружки и в первую оче­ редь с явлениями нароста. В зоне малых скоростей, при которых нарост не образуется (о = 1 м1мин), размеры неровностей обра­ ботанной поверхности незначительны. При увеличении скорости

Скорость резания у/ м/мин

Рис. 74. Влияние скорости резания при точении на шеро­ ховатость поверхности;

/ — нарост на резце; 2 — усадка стружки; 3 — высота шеро­ ховатости

Дальнейшее повышение скорости резания уменьшает величину нароста и понижает высоту шероховатости обработанной поверх­ ности.

В зоне скоростей, при которых нарост не образуется (выше 60—70 м/мин), шероховатость поверхности оказывается наимень­ шей. В этом случае дальнейшее увеличение скорости резания только весьма незначительно способствует уменьшению высоты шероховатостей поверхности. Сопоставление графика изменения величины нароста на резце при изменении скорости резания с гра­ фиком изменения усадки стружки, а также с графиком изменения высоты неровностей при увеличении скорости резания (рис. 74) по­ казывает тесную связь процессов образования шероховатости об­ рабатываемой поверхности и нароста.

При высоких скоростях резания глубина пластически дефор­ мированного поверхностного слоя незначительна и размеры шеро­ ховатости поверхности приближаются к расчетным.

В случае обработки хрупких материалов (например, чугуна) наряду со срезом отдельных частиц металла происходят их сдвиг и беспорядочное хрупкое откалывание от основной массы металла, увеличивающее шероховатость поверхности. Повышение ско­ рости резания уменьшает откалывание частиц, и обрабатываемая поверхность становится более гладкой.

При чистовой обработке металлов, когда состояние и точность обработанной поверхности имеют решающее значение, совершенно естественно стремление вести обработку в зоне скоростей, при ко­ торых нарост на инструменте не образуется, а шероховатость по­ верхности получается наименьшей. Такими зонами для машино­ поделочных углеродистых сталей, как это отмечалось выше, яв­

под влиянием пластических и упругих деформаций, скорости резания и радиуса округления режущего лезвия резца.

отделочном точении углеродистых конструкционных сталей, обес­ печивающей наименьшую величину шероховатостей обработан­ ной поверхности при получении высокой производительности, следует признать подачу s = 0,05-^0,12 мм!об.

При переходе в область крупных подач (s ^ 0 ,1 5 мм!об) на образование шероховатостей влияют пластические и упругие де­ формации поверхностного слоя, а также и чисто геометрические причины. Величина неровностей резко возрастает с увеличе­

следователей, совершенно ничтожно и практически может не при­ ниматься во внимание. При уменьшении глубины резания до

0,02—0,03 мм вследствие наличия на режущей кромке резца некоторого скругления нормальное резание прекращается, и резец, отжимаясь от изделия, начинает скользить по обрабаты­ ваемой поверхности, периодически врезаясь в нее и вырывая от­ дельные участки. Поэтому глубину резания при работе обычными резцами не следует брать слишком малой.

При работе с глубиной резания меньшей, чем величина подачи, глубина оказывает геометрическое влияние на высоту шерохова­ тости. В этом случае уменьшение глубины резания снижает вы­

р и а л а на характер и высоту неровностей объясняется боль­ шим удельным весом пластических деформаций в процессе обра­ зования шероховатости. Более вязкие и пластичные материалы (например, малоуглеродистая сталь) и структуры, склонные к пла­ стическим деформациям, дают при их обработке резанием грубые и шероховатые поверхности.

Величина шероховатости обработанной поверхности умень­ шается при переходе от структуры феррито-перлита к трооститу и троостито-мартенситу. Феррит, являющийся мягкой, вязкой и легко деформирующейся составляющей структуры стали, при об­ работке резанием имеет склонность к образованию неровностей поверхности. С точки зрения получения поверхности с минималь­ ной шероховатостью оказываются чрезвычайно неблагоприятными структуры с неоднородной величиной зерен, в частности струк­ тура так называемого глобулярного перлита, состоящая из круглых зерен цементита, рассеянных по основной массе фер­ рита.

Значительно меньшую шероховатость дают стали после нор­ мализации и отпуска, обладающие однородной и мелкозернистой структурой.

Таким образом, для получения при механической обработке возможно меньших шероховатостей рекомендуется предваритель­ ная нормализация углеродистой стали при температуре 850—870° С или (в случае необходимости облегчить условия резания и повы­ сить стойкость режущего инструмента) отжиг при 900° С в тече­ ние 5 ч.

Исследованиями А. И. Исаева [12] установлено, что с увели­ чением твердости обрабатываемого материала высота шерохова­ тости снижается. При этом одновременно уменьшается влияние изменения скорости резания на высоту шероховатости и при твер­ дости 4905 Мн1м2 (НВ 500 кГ/мм2) влияние скорости практически отсутствует.

Этими исследованиями также установлено, что влияние ско­ рости и твердости на высоту шероховатости углеродистых сталей различной твердости заметно проявляется лишь в зоне сравни­ тельно низких скоростей резания, При превышении скорости ре-

заиия 140 м/мин влияние твердости на высоту шероховатости за­ метно ослабевает. Это объясняется тем, что уже при скорости ре­ зания 140 м!мин и выше температура обрабатываемого материала достигает 780—840° С. При такой температуре механические свой­ ства сталей различной начальной твердости в значительной сте­ пени выравниваются, в результате чего высота шероховатости стабилизируется и практически не зависит от изменения скорости резания. На основании этих исследований для уменьшения шеро­ ховатости поверхности рекомендуется предварительная термооб­ работка конструкционных сталей, повышающая их твердость.

Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет на­ клепа поверхностного слоя также способствует уменьшению раз­ меров неровностей обработанной поверхности. На практике это явление часто наблюдается при развертывании отверстий после зенкерования, создающего заметный наклеп обработанной поверх­ ности. Если припуск, оставленный на развертывание, оказывается меньше глубины наклепанного зенкерованием более хрупкого поверхностного слоя, то в результате развертывания получается поверхность с минимальными неровностями.

Изменение химического состава обрабатываемого материала, отражающееся на его вязкости, в свою очередь, влияет на размеры шероховатости обработанной поверхности деталей как из цветных сплавов, так и из сталей.

Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей, умень­ шающих трение и облегчающих процесс стружкообразования, спо­ собствует снижению высоты неровностей поверхности.

Фрезерование. При фрезеровании пластическое деформиро­ вание отделяемого зубьями цилиндрической фрезы металла по мере углубления в него постепенно возрастает. В момент врезания со стороны обрабатываемой поверхности зубья фрезы отделяют металл в виде сливной стружки при незначительной степени пластической деформации. Дальнейшее перемещение зуба при­ водит к непрерывному увеличению степени пластической дефор­ мации металла, уходящего в стружку, и поверхности резания. В металле происходят значительные сдвиги, стружка из сливной превращается в элементную. Однако изменение степени пласти­ ческой деформации металла, в отличие от обработки точением, не отражается на состоянии обработанной поверхности. Это состоя­ ние связано с процессом отделения металла и его пластическим деформированием только в начальный момент врезания зуба (при встречном фрезеровании), когда образуется сливная стружка. В период образования элементной стружки на последующих ста­ диях внедрения зуба в металл поверхностного слоя до момента выхода его из контакта с обрабатываемым изделием пластическое деформирование отделяемого металла не отражается на шерохо­ ватости обработанной поверхности и влияет только на состояние поверхности резания.

щим профиль прорезаемых канавок четких боковых поверхностей и острых наружных граней.

Исследованиями, приведенными в литературе [28], устано­ влено, что пластическая деформация поверхностного слоя при шлифовании вызывается двумя причинами, определяющими раз­ личное протекание процесса деформации и разный характер возникающих при шлифовании неровностей поверхности.

Первая причина заключается в увеличении усилий шлифова­ ния в связи с ростом толщины снимаемой стружки, имеющим место при увеличении глубины шлифования, продольной подачи на один оборот изделия, скорости вращения изделия и т. д. Пласти­ ческая деформация поверхностного слоя в этом случае выражается в вытягивании кристаллических зерен, обрывах вытягиваемых волокон и создании на поверхности поперечных (по отношению

кнаправлению резания) уступов и трещин.

Сувеличением глубины шлифования с охлаждением и соот­ ветствующим ростом нагрузки на отдельные абразивные зерна интенсивность пластической деформации поверхностного слоя возрастает. Степень пластической деформации указанного вида зависит от пластичности обрабатываемого металла, его состава и структуры, остроты абразивных зерен круга и условий охлаждения.

Высота шероховатости шлифованной поверхности, возникаю­ щей вследствие пластической деформации первого вида, обычно бывает больше высоты обусловливаемой геометрическими причи­ нами.

Вторая причина пластической деформации заключается в уве­ личении количества тепла, выделяющегося в зоне резания в связи

стрением между абразивными зернами неправильной геометри­ ческой формы и обрабатываемым металлом и в связи с внутрен­ ним трением пластически деформируемого металла.

В зоне прохождения абразивного зерна при шлифовании стали в микрообъемах металла поверхностного слоя возникают очень высокие температуры (достигающие 1000—1400° С), способствую­ щие развитию пластической деформации, структурных изменений и появлению остаточных напряжений.

Тепло, выделяющееся в зоне резания, концентрируется в тон­ ком поверхностном слое и размягчает его. Пластическая дефор­ мация поверхностного слоя в этом случае выражается в размазы­ вании размягченного металла поверхностного слоя по обрабаты­ ваемой поверхности. При шлифовании без охлаждения и при малой теплопроводности обрабатываемого материала (высокоуглероди­ стые, закаленные стали) размягченный до высокой пластичности металл поверхностного слоя размазывается по обработанной по­ верхности в виде ровного слоя, полностью покрывающего обра­ боточные риски.

Неровности поверхности заглаживаются и заметно умень­ шаются по сравнению с их высотой, обусловливаемой геометри-

из рисунка, при наличии вибраций от дисбаланса круга шерохо* ватость поверхности может увеличиваться в несколько раз.

Вибрации при шлифовании возникают в связи с неправильной работой шпинделя станка (наличие биений), при толчках, вызывае­ мых неудовлетворительной сшивкой ремней или биениями изно­ шенных шестерен, при неудовлетворительной балансировке шли­ фовального круга, а также при плохой его правке после затупле­ ния и засаливания. В указанных случаях в направлении резания, вдоль обработочных рисок появляется дополнительная шерохова-

Рис. 76. Влияние дис­ баланса круга на ше­ роховатость:

/ — плоскошлнфовальный станок; 2 — круглошлифстальный станок, диа­ метр шпинделя G5 мм; 3— круглошлнфовальный станок, диаметр шпин­

деля 80 мм

тость и возникают волны, высота и шаг которых характеризуют продольную волнистость изделия. При неправильной правке шлифовального круга и его неравномерном износе возникает не только продольная, но и поперечная волнистость, направленная перпендикулярно обработочным рискам.

Вследствие того что отдельные части станка при его работе могут вибрировать с различной частотой, поверхность обрабаты­ ваемого изделия покрывается несколькими системами продольных и поперечных волн разного шага — от нескольких миллиметров до десятков миллиметров.

При наличии вибраций в системе СПИД величина волнистости и продольной шероховатости поверхности возрастает с увеличе­ нием усилий резания, а следовательно, и с повышением глубины шлифования и скорости вращения изделия.

11. УПРОЧНЕНИЕ (НАКЛЕП) МЕТАЛЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

При обработке деталей резанием под действием прилагаемых усилий в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, сопровождающаяся измельчением и вытягиванием кристаллических зерен в направлении деформации (образование «текстуры»), искривлением плоскостей скольжения и появлением на них обломков кристаллических зерен, возникновением меж-

кристаллитных напряжений и искажений кристаллической ре­ шетки. При этом увеличивается удельный объем металла и пони­ жается его плотность, повышается предел прочности, твердость и хрупкость, снижается пластичность и вязкость, изменяются магнитные и некоторые другие свойства металла.

Наклеп (упррчнение) металла поверхностного слоя деталей машин обычно Характеризуется его микротвердостыо и рентге­ нографическими показателями (расширение или размытие интер­ ференционных линий).

Процесс упрочнения (наклеп) металла поверхностного слоя развивается под действием усилий, действующих в зоне резания. Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением усилий и повышением степени пластической де­ формации металла поверхностного слоя.

Одновременно с упрочнением в металле поверхностного слоя протекает отдых (разупрочнение, возврат), возвращающее металл

вего первоначальное ненаклепанное состояние.

Впротивоположность атермическому процессу упрочнения, зависящему только от величины и продолжительности действия деформирующих сил и от пластических свойств обрабатываемого металла, отдых (возврат) является процессом, непосредственно зависящим от температуры, развивающейся в зоне резания. При больших температурах нагрева и при значительной продолжитель­ ности теплового воздействия отдых (возврат) может полностью снять упрочнение (наклеп) металла поверхностного слоя, возник­ ший в результате механической обработки.

При механической обработке в зоне резания одновременно дей­ ствуют значительные усилия резания, создающие наклеп, и тем­ пература, вызывающая разупрочнение металла. Конечное состоя­ ние металла поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преоб­

ладания действий в зоне резания силового или теплового фак­ торов.

В связи с этим при различных методах и режимах механической обработки, разных режимах и различной геометрии режущего инструмента степень и глубина распространения наклепа оказы­ ваются различными.

При этом всякое изменение режима резания, связанное с уве­ личением усилий резания и степени пластической деформации, ве­ дет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжительности воздействия усилий резания на металл поверхностного слоя при­ водит к увеличению глубины распространения наклепа.

Изменение режимов обработки, приводящее к увеличению ко­ личества тепла в зоне резания и увеличивающее продолжитель­ ность теплового воздействия инструмента на металл зоны реза­ ния, усиливает интенсивность отдыха, снимающего наклеп по­ верхностного слоя.

С этих общих позиций может быть оценено влияние режимов резания на наклеп поверхностного слоя, однако на практике кар­ тина значительно усложняется влиянием сил трения, изменением

условий отвода тепла из зоны резания, структурными изменениями металла и некоторыми другими явлениями, трудно поддающимися предварительному учету и искажающими ожидаемые закономер­

ской деформации в связи с воз­ растанием усилий резания.

Влияние скорости резания чаще всего проявляется через

изменение теплового воздействия и изменение продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя. При увеличении скорости резания уменьшается продолжительность воздействия деформирующих сил на металл, что должно привести к уменьшению глубины наклепа. Одновременно с этим при повы­ шении скорости резания увеличивается трение и выделение тепла

в зоне резания, ускоряющего протекание отдыха. Поэтому для металлов, не претерпевающих при резании структурных измене­ ний, при повышении скорости резания следует ожидать снижения наклепа, что и показано на рис. 79.

В процессе обработки сталей, претерпевающих структурные изменения (например, сталь У10), при увеличении скорости ре-

( / —сталь ЗОХГС; 2 — сталь 20); б — фрезерование ( £ = 3 мм; 1— s?=0,65 мм/зуб; 2—s2= 0,13 мм!зуб)

зания возрастающее тепло может вызвать поверхностную закалку обрабатываемой детали, что ведет к повышению микротвердости металла поверхностного слоя (рис. 80). Однако в этом случае упрочнение поверхностного слоя не связано с наклепом металла, а вызвано его структурными изменениями.

Аналогично точению увеличение подачи и глубины резания при фрезеровании повышает степень наклепа. Значительно уве-

Рис. 80. Влияние ско­ рости резания v на упроч­

нение сталей, претерпе­ вающих структурные из­ менения:

1 — сталь У10; 2 — сталь 25ХНВА

и,п/нин

личивается наклеп при износе режущего инструмента. При встреч­ ном фрезеровании наклеп оказывается больше, чем при попутном (рис. 81).

Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке: наклеп возрастает при увеличении нагрузки на абразивное зерно, связанное с увеличением глубины шлифования, скорости вращения изделия (или продольной подачи

стола при плоском шлифовании), увеличением размера и радиуса округления абразивных зерен (рис. 82). При увеличении скоро­ сти вращения круга нагрузка на абразивные зерна уменьшается;

Рис. 81. Влияние износа фрезы на наклеп поверх­ ности На из стали 2X13 (режим: v = 38 м/мин;

вание; б — попутное фре­ зерование;

1 — вновь заточенная фреза;

2 — износ фрезы 1/2Т; 3 — фреза изношена

htMKM

одновременно количество тепла, выделяющегося в зоне шлифова­ ния и снимающего наклеп, увеличивается. Упрочнение поверхност­ ного слоя при этом уменьшается (рис. 82).

Hd

Рис. 82. Влияние зерни­ стости и скорости круга на наклеп поверхности в закаленной стали [52]:

1 — зернистость 5; 2 — зер­ нистость 8; 5—зернистость 6; 4 — зернистость 10

С увеличением числа ходов выхаживания в связи с продол­ жительным трением абразивных зерен и обрабатываемой поверх­ ности, вызывающим пластическую деформацию металла поверх­ ностного слоя, его наклеп возрастает.

12. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Возникновение остаточных напряжений металла поверхност­ ного слоя в процессе механической обработки деталей объясняется следующими основными причинами.

1. При обработке металлов резанием в тонком поверхностном слое развивается силовое поле, вызывающее неравномерную ло­ кальную пластическую деформацию отдельных зон металла, при­ водящую к пластическому вытягиванию отдельных волокон в од­

ном направлении (например, в направлении действия сил реза­ ния) и сжатию их в поперечном направлении. При снятии действия силового поля эта пластическая деформация вызывает появление в деформированных волокнах остаточных напряжений различ­ ного знака (в вытянутых волокнах — напряжения сжатия, а

всжатых волокнах— напряжения растяжения).

2.Происходящая при обработке резанием пластическая де­ формация металла поверхностного слоя сопровождается, как ука­ зывалось выше, наклепом металла и увеличением его удельного объема.

После обработки резанием поверхностный слой металла состоит из тонкого наклепанного внешнего слоя увеличенного удельного объема и нижележащих слоев недеформированного металла, со­ хранившего свой нормальный удельный объем. Наклепанный и недеформированный слои металла связаны друг с другом как единое целое, поэтому во внешнем слое, стремящемся замять больший объем, чему препятствуют связанные с ним нижние слои, возникают остаточные напряжения сжатия. Соответственно в ниж­ нем слое развиваются уравновешивающие остаточные напряже­ ния растяжения.

3.Выделяющееся в зоне резания тепло приводит к высокому мгновенному локальному нагреву тонких поверхностных слоев металла, снижающему до минимума его модуль упругости. По­ следующее быстрое охлаждение поверхностных слоев сопровож­ дается их сжатием, чему препятствуют нижележащие, оставшиеся холодными слои металла. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижеле­ жащих — уравновешивающие их напряжения сжатия.

4.При обработке металлов, склонных к фазовым. превращениям, нагревы в зоне резания вызывают структурные изменения, связанные, как известно, с объемными изменениями металла. При этом в слоях металла, в которых образуется структура, имею­ щая больший удельный объем, развиваются остаточные напряже­ ния сжатия, а в слоях — со структурой меньшего удельного объ­ ема— возникают остаточные напряжения растяжения. Так, на­

пример, если при шлифовании закаленной на мартенсит стали в связи с неправильным режимом шлифования, засаливанием круга или недостаточным охлаждением происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структуры троостита или сорбита, имеющих меньший удельный объем, чем структура мартенсита, в отожженных слоях развиваются остаточ­ ные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях — урав­ новешивающие их напряжения сжатия.

При обработке металлов резанием любая из указанных четы­ рех причин может оказать преобладающее влияние и определить тем самым величину и характер распределения остаточных напря­ жений.

При этом может оказаться и так, что все четыре причины ока­ зывают свое, достаточно сильное влияние и в результате их вза­ имодействия окончательное распределение остаточных напряже­ ний по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер.

Таким образом, под влиянием указанных причин в результате механической обработки в поверхностном слое деталей возникают остаточные напряжения, величина, знак, характер и глубина рас­ пространения которых определяются методами и режимами обра­ ботки.

При этом в большинстве случаев изменение режимов резания, приводящее к увеличению силового поля и повышению степени пластической деформации в условиях хорошего охлаждения зоны резания, приводит к увеличению остаточных напряжений сжатия.

Повышение мгновенной температуры нагрева поверхностного слоя и увеличение продолжительности теплового воздействия обычно бывает связано с развитием остаточных напряжений рас­ тяжения.

При протекании фазовых превращений величина и знак оста­ точных напряжений определяются полнотой протекания струк­ турных изменений и соотношением удельных объемов структур­ ных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя.

При этом очень большое значение для формирования оста­ точных напряжений имеют химический состав металла и его спо­ собность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и температуропроводность и другие механиче­ ские и физические свойства металла.

Влияние скорости резания на формирование остаточных на­ пряжений чаще всего проявляется в изменении теплового воздей­ ствия (при повышении скорости резания количество тепла, выде­ ляющегося в зоне резания, возрастает) и в изменении продолжи­ тельности теплового и силового воздействия на металл со стороны инструмента.

На рис. 83 показано повышение остаточных напряжений рас­ тяжения при увеличении скорости резания (точение жаропроч­ ной стали), связанное с увеличением количества тепла в зон.е ре­ зания. В противоположность этому при точении стали ЗОХГС, воспринимающей закалку, с увеличением скорости резания и бо­ лее полным протеканием закалки зоны резания, растягивающие остаточные напряжения поверхностного слоя снижаются, а при скоростях 200 м/мин и выше переходят в сжимающие (рис. 83, б).

При точении малоуглеродистой стали увеличение подачи при­ водит к росту величины и глубины распространения остаточных напряжений.

Увеличение степени пластической деформации металла зоны резания, связанное с переходом от положительных к отрицатель­

ным передним углам, приводит к снижению растягивающих и возникновению сжимающих остаточных напряжений (рис. 84).

При исследовании напряженного состояния металла поверх­ ностного слоя при точении стали ХН35ВТЮ Б. С. Коротиным и Ф. П. Урывским [21 ] установлено, что в обычно применяемом диа­ пазоне режимов резания этого металла основной причиной воз­

напряжения возникают только под влиянием нагрева и не связаны

сфазовыми превращениями или действием силового поля.

Взависимости от режимов точения величина растягивающих остаточных напряжений определяется по формуле

Как показала проверка, отклонения значений растягивающих остаточных напряжений, подсчитанных по данной формуле, от их величины, установленной экспериментальным путем, не превы­ шают 10—12% их величины.

В процессе шлифования высокопластичного технического же­ леза при увеличении глубины шлифования до 0,025—0,0375 мм и соответствующем росте усилий остаточные напряжения сжатия повышаются, а при дальнейшем увеличении глубины шлифования

в связи со значительным возрастанием температуры — несколько уменьшаются (рис. 85).

При шлифовании высокоуглеродистой стали, обладающей боль­ шей прочностью, меньшей пластичностью и меньшей теплопровод­ ностью, преобладающее влияние на формирование остаточных на­ пряжений имеет не пластическая деформация, а тепловой фактор.

растягивающие напряжения переходят в напряжения сжатия (рис. 87, а), в то время как при шлифовании высокоуглеро­ дистой стали при увеличении продольной подачи решающее влияние оказывает возрастание сил трения и соответствующее увеличение нагрева зоны резания, приводящее к росту растяги­ вающих напряжений (рис. 87, б).

С увеличением скорости вращения абразивного круга увели­ чивается интенсивность выделения тепла в зоне резания, а с уве­ личением скорости вращения детали уменьшается продолжитель­ ность теплового воздействия на зону резания. Поэтому в первом случае увеличиваются растягивающие (рис. 88, б) и уменьшаются сжимающие напряжения, а во втором — уменьшаются растяги­ вающие остаточные напряжения (рис. 88, а).

При шлифовании с выхаживанием в связи с пластической де­ формацией металла поверхностного слоя трением абразивных зе­ рен, практически почти не снимающих металла, снижаются растя­ гивающие и увеличиваются сжимающие остаточные напряжения поверхностного слоя.

б

а) <э

Мн/мг кГ/нн7

б) б

Мн/н2 кГ/мм2

Рис. 87. Влияние продольной подачи $ на остаточные напряжения о при разных глубинах шлифования: а — техническое железо (режим: п = 480 об/мин; v —

=39 м/мин); б — углеродистая отожженная сталь У8А (режим: я = 480 об/мин;

v= 47 м/мин)

Рис. 88. Зависимость остаточных напряжений [52] от скорости вра­ щения детали (а) и от скорости вращения круга (б):

заны с высотой и формой неровностей поверхности и направлением рисок обработки.

В начальный период работы трущихся поверхностей их кон­ такт происходит по вершинам неровностей, в результате чего фак­ тическая поверхность соприкосновения составляет лишь неболь­ шой процент от расчетной. Вследствие этого в местах фактического контакта по вершинам неровностей развиваются большие удельные давления, часто пре­ вышающие предел текучести и даже предел прочности трущихся металлов.

Под действием этих давлений в точках контакта происходит упругое сжатие и пластическая деформация смятия неров­ ностей, а при взаимном перемещении поверхностей —деформация среза, отла­ мывания и пластического сдвига вершин неровностей, приводящие к интенсив­ ному начальному износу трущихся де­ талей и увеличению зазоров трущейся пары. Повышенному начальному износу в некоторых случаях способствует также возникновение в точках контакта высо­

ких мгновенных температур и срыв окисной пленки, покрыва­ ющей металлы, что сопровождается молекулярным сцеплением трущихся металлов и образованием узлов схватывания.

В период начального износа поверхностей, работающих в лег­ ких и средних условиях, высота неровностей уменьшается на 65— 75% при одновременном увеличении фактической поверхности их контакта, а следовательно, и снижении фактического удельного давления. В это же время, т. е. в период приработки, происходит изменение размеров и формы неровностей и направления обрабо­ точных рисок. При этом высота неровностей уменьшается или увеличивается до некоторого «оптимального» значения, различ­ ного для разных условий трения. Если оптимальную для данных условий трения высоту неровностей удается создать в процессе механической обработки, то в процессе износа она не изменяется, а время приработки и износ оказываются наименьшими.

На рис. 89 приведены кривые П. Е. Дьяченко, показывающие, что при оптимальной высоте неровностей (точки 0 Хи 0 2) детали имеют наименьший начальный износ. В более тяжелых усло­ виях износа кривая износа смещается вправо и вверх, а точка

Оптимальной шероховатости вправо, в сторону увеличения вы­ соты неровностей.

Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности. Умень­ шение высоты неровностей против оптимального значения приво­ дит к резкому возрастанию износа в связи с возникновением молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся по­ верхностей повышенной гладкости, чему способствует выдавлива­ ние смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально чистых поверхностей.

гребешка на fen

Рис. 90. Влияние формы и шага неровностей иа^износ поверхностей

Влияние шероховатости поверхности на ее износ связано не только с размерами фактической поверхности контакта, но зави­ сит и от формы неровностей. На рис. 90, а приведены формы неров­ ностей двух образцов, имеющих одинаковые размеры фактической поверхности контакта, а на рис. 90, б — кривые износа этих об­ разцов. Приведенные данные показывают, что в условиях прове­ денного опыта тонкие и многочисленные неровности обеспечи­ вают большую износоустойчивость, чем крупные неровности боль­ шого шага.

Влияние направления обработочных рисок на износостойкость в разных условиях трения и при разных размерах неровностей различно. Опыты П. Е. Дьяченко показывают, что при жидкостном трении и малой высоте неровностей направление рисок значения не имеет, однако при увеличении шероховатости более выгодным оказывается параллельное направление рисок и движения тре­ ния.

При граничном трении в зоне малых неровностей с параллель­ ным направлением рисок обработки и движения трения возникает схватывание, и износ оказывается больше, чем при перпендику-

лярнбм Направлении. Ё зоне большой шероховатости, когда схва­ тывания не происходит, параллельное направление рисок дает наименьший износ.

На рис. 91 приводятся кривые износа образцов 1—5 из стали Ст.З (строгание, чистота обработки V5, s = 0,25 мм1дв. ход, t= 2 мм, Ф — Ф г — 45°) при различном направлении рисок обработки.

Величина коэффициента трения связана с направлением рисок обработки и высотой неровностей. При сочетании поверхностей,

высота неровностей может уменьшаться на 0,65—0,75%. При малых размерах деталей и при шероховатости поверхностей в пределах 6— 8-го классов чистоты двойная высота неровностей 2Rz соизмерима с величиной поля допуска на изготовление детали [28]. Это озна­ чает, что в период начального износа поверхностей дополнитель­ ный зазор в соединении может достигнуть величины допуска на изготовление детали и точность соединения будет полностью нару­ шена. Вместо требуемого чертежом соединения 2-го класса точ­ ности фактически возникает соединение 3-го класса, вместо поса­ док скольжения появятся ходовые посадки и т. п.

Для предотвращения этого необходимо во всех случаях ответ­ ственных сопряжений, от которых требуется длительное сохра­ нение установленной конструктором точности, вести обработку деталей таким образом, чтобы шероховатость трущихся поверх­ ностей была минимальной.

При этом рекомендуется устанавливать необходимую высоту шероховатости в зависимости от точности проектируемого сопря­ жения путем расчета по нижеследующим формулам:

при диаметре сопряжения свыше 50 мм

В формулах (135)—(137) поле допуска детали б и высота не­

С увеличением высоты неровностей сопряженных поверхностей прочность прессовых соединений снижается. Так, например, проч­ ность прессового соединения ступицы вагонного колеса с осью при высоте неровностей 36,5 мкм при проверке оказалась на 40% ниже прочности такого же соединения с высотой неровностей 18 мкм, несмотря на то, что натяг во втором соединении был на 15% меньше.

П р о ч н о с т ь и з д е л и й п р и у д а р н о й н а ­ г р у з к е , как показали последние опыты [38], в свою очередь, зависит от шероховатости поверхностей. При изменении шерохо­ ватости поверхности от 1 до 11-го, класса ударная вязкость образ­ цов из стали Ст.5 повышается на 17%.

Благоприятное влияние снижения шероховатости поверхности резче проявляется при испытании металла повторными ударами. Из работы [38] следует, что число ударов до разрушения образца при переходе от 1 к 11-му классу возрастает для стали Ст.З с 82 до 112, т. е. увеличивается в 1,36 и для стали Ст.5 возрастает с 17 до 28 ударов, т. е. в 1,7 раза.

Шероховатость поверхности оказывает значительное влияние на хладноломкость стали [38]. При испытании надрезанных об­ разцов из стали Ст.5 при температуре 100° С работа разрушения составила при шероховатости 1-го класса 3,92 дою (0,4 мм), а при шероховатости 11-го класса — 176 дж (18 кгм), т. е. увеличилась в 45 раз.

У с т а л о с т н а я п р о ч н о с т ь д е т а л е й в значи­ тельной степени зависит от величины шероховатости их поверх­ ностей. Наличие на поверхности детали, работающей в условиях циклической и знакопеременной нагрузок, отдельных дефектов и неровностей способствует концентрации напряжений, величина которых может превзойти предел усталости металла. В этом слу­ чае поверхностные дефекты и обработочные риски играют роль

очагов возникновения субмикроскопических нарушений сплош­ ности металла поверхностного слоя и его разрыхления, являющихся первопричиной образования усталостных трещин.

Приведенный на рис. 92 график изменения предела усталости

ватости 8 и 9-го классов не превосходит 75% величины этого предела при шероховатости 12-го класса.

Еще более значительное влияние шероховатости поверхности

из стали 45, отожженных после обтачивания для устранения влия­ ния наклепа и остаточных напряжений, возникающих при обра­ ботке образцов, предел выносливости изменяется от 191 Мн/м2 (19,5 кГ/мм2) (при высоте неровностей 75 мкм) до 282 Мн/м3 (28,75 кГ1мм2) (при высоте неровностей 2 мкм), т. е. изменяется на 47%.

шается смятие и истирание поверхностей при наличии их непосредственного контакта, уменьшается взаимное внедрение по­ верхностных слоев, имеющее место при их механическом и молеку­ лярном взаимодействии, увеличивается диффузия кислорода воз­ духа в металл поверхностного слоя, создающая в нем твердые химические соединения Fe.0; Fe20 3 ;--Fe30 4, характерные для оки­ слительного износа, протекающего с наименьшей-интенсивностью.

Предварительное упрочнение поверхностного слоя препятст­ вует развитию совместной пластической деформации металлов

трущихся деталей, при которой происходит их холодная сварка— схватывание, являющейся наиболее интенсивным видом износа.

Кривые, приведенные на рис. 94, показывают [28], что при упрочнении поверхностных слоев различных сталей шлифованием их износ заметно снижается. При малой твердости стали (сталь 15 и 50) даже незначительное повышение их микротвердости в связи

Рис. 94. Влияние наклепа Нд на износ и:

/ — сталь 15; 2 — сталь 50; 3 — сталь У10 (нормализованная); 4 —- сталь У10 зака­ ленная

с наклепом вызывает существенное снижение износа. Некоторое повышение износа с ростом микротвердости закаленной стали У10 объясняется их прижогом и возникновением мягкой «подкладки», лежащей под тонким слоем вторично закаленной стали.

У с т а л о с т н а я п р о ч н о с т ь деталей машин в ре­ зультате наклепа (упрочнения) металла их поверхностного слоя может возрасти на 15—20%. На рис. 95 показано влияние глубины и степени наклепа на усталостную прочность стали 45 [35]. Из рисунка видно, что при увеличении степени и глубины распростра­ нения наклепа при точении стали 45 ее предел выносливости возрастает на 8—10%.

Благоприятное влияние наклепа объясняется созданием упроч­ ненного поверхностного слоя металла, затрудняющего процесс

возникновения и развития первоначальных усталостных микро­ скопических и субмикроскопических трещин, являющихся при­ чиной усталостного разрушения деталей машин.

Пластическая деформация и наклеп поверхностного слоя ме­ талла протекают в различно ориентированных зернах разного состава с различной интенсивностью: ферритные зерна деформи­ руются интенсивнее перлитных. Это вызывает неравномерное по­ вышение энергии и различное изменение электродного потенциала. Более наклепанные ферритные зерна становятся анодными, менее наклепанные перлитные зерна — катодными. По тем же причинам

в различных кристаллических зернах. В результате пластической деформации создается микронеоднородность поликристаллического металла, в котором возникает большое количество коррозион­ ных микроэлементов. Наиболее активными участками металла во взаимодействии с внешними средами являются зоны плоскостей сдвигов и места выходов дислокаций на поверхность. В этих зонах происходит усиленная адсорбция и развиваются к о р р о з и о н ­ н ы е и д и ф ф у з и о н н ы е п р о ц е с с ы .

Как указывает Г. В. Карпенко [15], холоднодеформированная мягкая сталь может поглотить в 100 раз больше водорода, чем отожженная.

Механическая обработка, вызывающая наклеп поверхностного слоя и изменение шероховатости поверхности, приводит к значи­ тельному изменению коррозионной стойкости металла. По дан­ ным исследований А. В. Рябченкова, скорость коррозии стали в слабом растворе серной кислоты после обработки резцом в 12,5 раза выше, чем после полировки. По данным исследований А. И. Яцюка потеря в весе образцов от их коррозии в воде за 30 су­ ток составила (в г/сж3*10-6).

Наклеп и остаточные напряжения поверхностного слоя могут стать одной из причин коррозионного растрескивания стали при ее длительном статическом нагружении в коррозионных средах. Снятие наклепа отжигом устраняет в этих случаях и коррозион­ ное растрескивание.

Следует, однако, отметить, что при определенных условиях проведения наклепа деталей накатыванием роликами или обдув­ кой дробью завальцовываиие

высоких температур диффузионная подвижность атомов повы­ шается, что приводит к ускорению процессов, способствующих понижению сопротивления отрыву, во. многих случаях опреде­ ляющего эксплуатационные качества жаропрочных сплавов под нагрузкой при высоких температурах.

При длительном воздействии высоких температур наклепан­ ный металл быстро и интенсивно разупрочняется, снижая общие эксплуатационные свойства деталей.

Как следует из рис. S>6, а, наклепанный механической обработ­ кой поверхностный слой, имеющий в начале эксплуатации деталимикротвердость 4600—4800 Мн1м2 (470—490 кПмм2) при микро­ твердости сердцевины 4000 Мн!м2 (410 кГ1мм2), после 120 ч экс­ плуатации при рабочей температуре (свыше 800° С) не только пол­ ностью разупрочнился, но даже приобрел пониженную микротвер­ дость порядка 3530—3730 Мн1м2 (360—380 кГ1м2) по всей глубине наклепанного слоя (рис. 96, б).

Такое понижение микротвердости объясняется выгоранием легирующих элементов жаропрочного сплава, происходящим в на­ клепанном металле в связи со снижением его плотности в резуль­ тате пластической деформации.

При этом наблюдается окисление и испарение некоторых эле­ ментов металла, дораспад твердого раствора с сильным охрупчи­ ванием поверхностного слоя, возврат и рекристаллизация металла.

В результате этого при воздействии высоких температур на наклепанный поверхностный слой значительно снижаются основ­ ные эксплуатационные качества деталей (циклическая и длитель­ ная прочность, прочность при циклических нагревах).

Таким образом, для деталей, работающих в условиях воздей­ ствия высоких температур, наклеп поверхностного слоя является в большинстве случаев вредным (при обработке структурно устой­ чивых сталей встречаются отдельные случаи, когда вредное влия­ ние наклепа не проявляется до температур 600—700° С).

Остаточные напряжения поверхностного слоя

При трении деталей в металле поверхностного слоя происхо­ дят значительные пластические деформации, сопровождающиеся интенсивным наклепом и возникновением в нем больших остаточ­ ных напряжений.

Если трущиеся детали до начала трения имели в поверхностном слое остаточные напряжения, созданные предшествующей обра­ боткой, то в самом начале трения под действием протекающей пластической деформации металла эти напряжения, являющиеся по своей природе упругими, полностью снимаются независимо от их знака. Одновременно в поверхностном слое возникают в ре­ зультате трения остаточные напряжения сжатия, величина кото­ рых зависит от условий трения и не зависит от величины и знака остаточных напряжений, созданных предшествующей обработкой детали и бывших в поверхностном слое до начала трения.

Изложенное хорошо иллюстрируется результатами исследова­ ний канд. техн. наук В. С. Рысцовой [39], показавших, что оста­ точные напряжения растяжения уже через 2000 циклов износа в течение 10 мин испытаний превращаются в напряжения сжатия (рис. 97, кривая 2), при дальнейшем истирании не меняющие своей величины. Такие же напряжения сжатия развиваются через

2000 циклов износа в поверхностных слоях образцов, имевших до износа напряжения сжатия (кривая 1), и в образцах, не имев* ших до износа никаких напряжений (образцы после отжига — кривая 3).

Таким образом, в процессе трения в поверхностном слое дета­ ли возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых не связана с величиной и знаком напряжений, имевшихся в поверх­ ностном слое детали до износа.

Остаточные напряжения поверхностного слоя детали, возни­ кающие в процессе ее обработки, не влияют в дальнейшем на изио-

б

Мн/мгкГ/ммг

Рис. 97. Изменение остаточных напряже­ ний поверхностного слоя в процессе трения и износа стальных де­

талей

состойкость детали при нормальных условиях трения—скольже­ ния в режиме окислительного износа.

Этот вывод относится только к остаточным напряжениям по­ верхностного слоя. Напряженное состояние всего сечения детали (например, наличие растягивающих внутренних напряжений в стенках втулки, напрессованной на другую деталь) может ока­ зать свое воздействие на характер и интенсивность ее износа.

Многочисленные исследования у с т а л о с т н о й п р о ч ­ н о с т и д е т а л е й , проведенные акад. С. В. Серенсеном, профессорами И. В. Кудрявцевым, М. М. (Кавериным, В. В. Рябченковым и др., показали, что при наличии в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали по­ вышается, а при наличии остаточных напряжений растяжения — снижается. При этом остаточные напряжения сжатия повышают * предел выносливости в большей мере, чем снижают его такие же по величине остаточные напряжения растяжения. Для сталей повышенной твердости повышение предела усталости благодаря действию сжимающих напряжений достигает 50%, а снижение его под действием растягивающих — 30%.

График, представленный на рис. 98, свидетельствует о наличии прямолинейной зависимости предела выносливости титанового

механической обработки предопределяют зависимость эксплуата­ ционных качеств деталей машин от технологии их механической обработки.

Изменение методов и режимов механической обработки вызы­ вает соответствующее изменение отдельных характеристик ка­ чества поверхности, что, в свою очередь, изменяет эксплуатаци­ онные свойства деталей.

В этом смысле уместно говорить о существовании «технологи­ ческой наследственности» качества поверхности и определяемых им эксплуатационных свойств деталей от отдельных технологиче­ ских операций и от всего технологического процесса их изготовле­ ния в целом.

Технологической наследственностью следует называть измене­ ние эксплуатационных свойств деталей машин под влиянием техно­ логии их изготовления.

Под технологией изготовления деталей при этом подразуме­ ваются методы и режимы обработки, примененные на отдельных операциях, вид и состояние режущего инструмента, условия ох­ лаждения, размеры операционных припусков, последовательность и содержание операций технологического процесса в целом.

Технологическая наследственность проявляется не только во влиянии метода и режимов обработки, примененных на последней, чистовой операции. Она может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации, в результате воздействия тех или иных элементов качества поверх­ ности, созданных в поверхностном слое детали при ее черновой обработке.

Так, например, как показал проф. П. Н. Ящерицын [52], при шлифовании грубообточенной и закаленной до HRC 61—62 заго­ товки из стали ШХ15СГ шлифовальный круг создает на участках выступов шероховатости поверхности тепловые удары, вызываю­ щие мгновенный нагрев и структурные изменения металла поверх­ ностного слоя. При этом во время чистовых режимов шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей токарной обработки, возникают зоны отпу­ щенного металла пониженной твердости (рис. 99, б), а при напря­ женных режимах шлифования — зоны твердого металла, претер­ певшего вторичную закалку (рис. 99, а).

В обоих случаях на границах разных структур развиваются значительные остаточные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин.

При шлифовании с охлаждением влияние тепловых ударов ослабевает. Для проверки влияния тепловых ударов, вызванных неровностями поверхности заготовки, на эксплуатационные свой­ ства детали были проведены испытания образцов из закаленной до HRC 61 стали ШХ15 на контактную усталостную проч­ ность.

До закалки Часть образцов была обточена по 2-му классу чи­ стоты, часть — по 5-му классу и часть образцов — прошлифована по 9-му классу. После закалки все образцы были.прошлифованы с одинаковым режимом по Ю-му классу чистоты и подвергнуты испытаниям обкаткой в течение 12 ч профильным диском при на­ грузке 1470 н (150 кГ). После испытаний на поверхности образцов, имевших до закалки шероховатость 2-го класса чистоты, было об­ наружено большое число крупных раковин (питтингов). Образцы, обработанные перед закалкой по 5-му классу, имели после испы-

Рнс. 99. Изменение микротвердости поверхности грубообточенной и закаленной стали при шлифовании, вы­ званное тепловыми ударами [52]: а — грубые режимы шлифования; б — чистовые режимы

таний лишь незначительное число мелких раковин, а предвари­ тельно шлифованные образцы — не имели после испытаний ника­ ких дефектов поверхности [52].

Влияние предыдущей обработки наблюдается при короблении лопаток паровых турбин во время их эксплуатации при высоких температурах, вызывающих релаксацию остаточных напряжений, возникших при фрезеровании, строжке или ручном шлифовании лопаток и не устраненных заключительной полировкой.

Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин. Для целесообразного использования явления тех­ нологической наследственности необходимо установить непосред­ ственные связи между эксплуатационными характеристиками де­ талей (усталостная прочность, износостойкость и т. п.) и режи­ мами обработки деталей при основных методах их изготовления.

Во многих случаях такие связи могут быть установлены с по­ мощью математических зависимостей: качество поверхности — функция режима резания, эксплуатационная характеристика — функция качества поверхности с их последующим совместным ре­ шением и установлением прямой связи: эксплуатационная харак­ теристика — режим резания.

Последняя зависимость может быть непосредственно исполь­ зована для расчетов режимов резания, обеспечивающих достиже­ ние заданных конструктором эксплуатационных характеристик.

<5-/

Мн/н2 кГ/мп2

Рис. 100. Номограмма для определения режимов точения, обеспечивающих заданную долговечность деталей

Примерами подобного решения может служить зависимость усталостной прочности жаропрочной стали ХН35ВТЮ (ЭИ787) от режимов точения резцами ВК6М, найденная канд. техн. наук

На рис. 101 приведены кривые изменения износостойкости, а на рис. 102—103 — изменения усталостной прочности в зависимо­ сти от примененных методов и режимов обработки различных де­ талей.

Из рисунков видно, что долговечность деталей машин во мно­ гих случаях может быть повышена или путем простого изменения

метода обработки, или режима резания, или геометрии режущего инструмента.

Так, например, при назначении оптимальной глубины шлифо­ вания стали У8, равной 0,025 мм, начальный износ детали умень­

0 67,5АХ125 мм при разных методах ее обработки составил:

а) 61,

Нн/м2 кГ/нн2

Рис. 103. Влияние геометрии резца и режимов резания на усталостную проч­ ность сталей при точении: а — изменение переднего угла резца у (v = 100 м!мин\

1 — сталь 30XГСИА; 2 — сталь ЗОХГСА; 3 — сталь 50

Очень велико влияние технологии обработки на усталостную прочность деталей машин.

При цилиндрическом фрезеровании нержавеющей стали 2X13 только за счет изменения режимов фрезерования можно изменить

усталостную Прочность с 3140 до 3720 Мн/м* (с 32 до 38 кГ/мм2), т. е. на 18% (рис. 102). При этом переход от метода попутного фре­ зерования к встречному при неизменном режиме резания повы­ шает предел усталостной прочности с 3140—3430 до 3430— 3730 Мн/м2 (с 32—35 до 35—38 кПмм2), т. е. повышает его на 8—10%.

Кривые, приведенные на рис. 103, а, показывают, что при то­ чении высокопрочной стали, путем изменения геометрии резца, в частности путем изменения его переднего угла у, усталостная прочность может быть повышена на 36—63%. Изменения скорости

уменьшает напряжения сжатия и снижает предел выносливости. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что особенно сильно на усталостную прочность титановых сплавов влияют ре­

жимы обработки.

Экспериментальные данные показывают, что при круглом шли­ фовании титанового сплава ВТЗ-1 при изменении режимов шлифо­ вания (скорости круга и детали) и материала абразивных кругов его усталостная прочность изменяется от 157 до 432 Мн1м2 (16— 44 кПмм2), т. е. почти в три раза, а при плоском шлифовании изменяется от 118 до 362 Мн/м2 (12—37 кГ/мм2).

Диаграмма (рис. 104) показывает, что при разных методах и режимах чистовой обработки цилиндрических деталей из титано­ вого сплава ВТЗ-1 их усталостная прочность изменяется от 127 (13) при неблагоприятных условиях шлифования и охлаждения круга КЗ 16СМ1 до 580 Мн/м2 (59 кГ/мм2) при обкатке шари­ ками. В связи с этим важно отметить, что при применении рацио­ нальных режимов шлифования усталостная прочность сплава ВТЗ-1 не только не меньше, но даже больше прочности после обра­ ботки точением.

Режимы шлифования титановых сплавов оказывают влияние не только на их усталостную прочность, но столь же сильно влияют на длительную прочность этих сплавов. Экспериментальные дан­ ные показывают, что длительная прочность при температуре 450° С у титанового сплава ВТЗ-1, шлифованного при разных ре­ жимах, изменяется в 3—4 раза.

Таким образом, приведенные на рис. 100—104 данные показы­ вают возможность установления зависимостей долговечности де­ талей от методов и режимов их обработки и возможности определе­ ния методов обработки, наиболее благоприятных для повышения долговечности деталей машин.

Работа по установлению подобных зависимостей в настоящее время ведется различными исследователями и научными учрежде­ ниями страны. После завершения ее станет возможным при проек­ тировании технологических процессов не только обеспечивать тре­ буемую конструктором точность обработки при минимальных за­ тратах производства, но можно будет и выбрать метод обработки, гарантирующий достижение требуемых эксплуатационных качеств.