- •Резание материалов
- •Введение
- •1. Краткий исторический очерк развития науки о резании материалов
- •2. Геометрические параметры режущей части ИнСтрумента
- •2.1. Кинематическая схема резания
- •Резания при обтачивании
- •2.2. Части и поверхности резца
- •2.3. Координатные плоскости
- •2.4. Геометрические параметры резца
- •Контрольные вопросы
- •3. Элементы резания и срезаемого слоя
- •3.1. Элементы резания
- •3.2. Геометрия срезаемого слоя
- •Следовательно, действительное сечение
- •3.3. Свободное и осложненное резание. Прямоугольное и косоугольное резание
- •Контрольные вопросы
- •4. Физические основы процесса резания металлов
- •4.1. Процесс разрезания и резания
- •4.2. Процесс пластической деформации металлов
- •4.3. Основные методы экспериментального изучения стружкообразования при резании металлов
- •4.4. Типы стружек, различия в механизме их образования
- •4.5. Нарост на режущем инструменте
- •4.6. Усадка стружки
- •5.2. Система сил в условиях свободного резания
- •5.3. Длина зоны контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента и напряженное состояние в этой зоне
- •5.4. Касательные напряжения на плоскости сдвига
- •5.5. Особенности трения в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента
- •5.6. Факторы, обусловливающие величину угла скольжения
- •5.7. Взаимодействие задней поверхности инструмента с поверхностью резания. Силы на задней поверхности инструмента
- •Переходная пластически деформируемая зона (ппдз)
- •6. Силы резания при точении
- •6.1. Силы, действующие на резец и заготовку
- •6.2. Влияние различных факторов на силы , и при точении
- •Поэтому
- •6.3. Методы измерения сил резания
- •7. Теплообразование и температура резания
- •7.1. Источники образования тепла и его распределение
- •7.2. Температура резания
- •7.3. Влияние на температуру различных факторов процесса резания
- •7.4 Оптимальная температура резания
- •7.5. Экспериментальные методы исследования тепловых явлений
- •8. Износ инструментов и критерии затупления
- •8.1. Физическая природа изнашивания инструментов
- •8.2. Внешняя картина изнашивания лезвий инструментов
- •8.3. Критерии затупления режущих инструментов
- •9. Стойкость инструментов и допускаемая ими скорость резания
- •10. Влияние обработки резанием на качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин
- •10.1. Понятие качества поверхностей деталей машин
- •10.2. Механизм возникновения шероховатости поверхности
- •10.3. Формирование физико-механических свойств поверхностного слоя металла при обработке резанием
- •10.4. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей
- •11. Процесс резания как система
- •11.1. Взаимосвязь, взаимовлияние и взаимообусловленность явлений в процессе резания
- •11.2. Система резания, ее элементы и структура
- •11.3. Оптимизация функционирования системы резания
- •12. Обрабатываемость материалов резанием
- •12.2. Обрабатываемость различных конструкционных материалов
- •Коэффициенты обрабатываемости различных сталей
- •12.3. Технологические методы повышения обрабатываемости материалов
- •13. Инструментальные материалы
- •13.1. Требования к инструментальным материалам
- •13.2. Виды инструментальных материалов и области их применения
- •Сравнительные характеристики стм на основе нитрида бора
- •13.3. Абразивные материалы
- •Химический состав абразивных материалов, %
- •Механические свойства алмазных шлифпорошков
- •Зернистость абразивных материалов
- •14. Сверление, зенкерование и развертывание
- •14.1. Сверление
- •14.2. Зенкерование и развертывание
- •Ключевые слова и понятия
- •Контрольные вопросы
- •15. Фрезерование
- •15.1. Кинематика фрезерования и координатные плоскости
- •15.2. Геометрические элементы режущей части фрезы
- •15.3. Элементы режима резания и срезаемого слоя при фрезеровании
- •Шаг винтовой канавки фрезы
- •16. Шлифование
- •16.1. Общие сведения о шлифовании
- •16.2. Шлифовальный круг как режущий инструмент
- •16.3. Формирование обработанных поверхностей при шлифовании связанным абразивом
- •16.4. Шлифование свободным абразивом
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
10.4. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей
Основные эксплуатационные характеристики деталей. Важнейшими эксплуатационными характеристиками деталей машин являются износостойкость и сопротивление усталости.
Износостойкость определяет сопротивление поверхности детали изнашиванию в процессе эксплуатации. При изнашивании изменяются размеры и геометрическая форма поверхностей, что приводит к изменению характера сопряжении деталей, потере точности относительного расположения деталей и узлов и нарушениям в работе машины.
Сопротивление усталости характеризует способность детали противостоять многократно повторяющимся знакопеременным нагрузкам в процессе эксплуатации. Недостаточное сопротивление усталости приводит к быстрой поломке деталей, вызывая отказ в работе машины.
Условия эксплуатации деталей разнообразны, в связи с чем в некоторых случаях к деталям предъявляют дополнительные требования, такие как коррозионная стойкость, отражательная способность, электрические, магнитные, эстетические свойства и т. д.
При конструировании и в процессе изготовления деталей важно знать, как влияют характеристики поверхностей деталей на их эксплуатационные свойства. Это дает возможность правильно регламентировать требования к поверхностям деталей, избежать необоснованных затрат на их изготовление и уменьшить потери от брака.
Влияние шероховатости поверхности на эксплуатационные свойства деталей. Исследованиями установлено, что шероховатость поверхностей оказывает большое влияние на изнашивание деталей в процессе эксплуатации.
В процессе трения рабочих поверхностей в машинах и механизмах наблюдается начальный, более интенсивный период изнашивания, когда поверхности прирабатываются. Трущиеся поверхности вначале контактируют по вершинам микронеровностей, в результате чего происходит их срезание и пластическое деформирование. К концу приработки высота исходной шероховатости уменьшается на 65 ... 75 %, а площадь фактического контакта возрастает, что приводит к уменьшению контактных давлений. Поэтому интенсивность изнашивания резко падает, и в дальнейшем происходит равномерное изнашивание, определяющее срок службы детали.
Установлено, что в результате приработки на трущихся поверхностях образуется оптимальная шероховатость, характерная для конкретных условий работы соединения (давление, скорость скольжения, наличие смазочного материала, физико-механические свойства материалов деталей и т.д.). Поэтому, если в процессе обработки деталей на их поверхностях обеспечить шероховатость, близкую к оптимальной, длительность приработки и изнашивание будут наименьшими. Это положение подтверждается зависимостью интенсивности изнашивания от исходной шероховатости трущихся поверхностей (рис. 10.14).
Рис. 10.14. Характерная зависимость износа I поверхности
детали от шероховатости Rа:
1, 2 - соответственно при легких и тяжелых условиях работы
Существование оптимальной шероховатости объясняется следующими обстоятельствами. При наличии на трущихся поверхностях неровностей, высота которых превышает оптимальные значения, возрастают механическое зацепление, их скалывание и срезание, в результате чего происходит повышенное изнашивание деталей. При высоте неровностей, меньше оптимального значения, изнашивание возрастает вследствие более плотного соприкосновения трущихся поверхностей, приводящего к выдавливанию смазочного вещества, молекулярному сцеплению и схватыванию.
Как отмечалось, оптимальная по износостойкости шероховатость поверхности деталей зависит от вида соединения и конкретных условий их эксплуатации. Эта зависимость определяется путем специальных исследований. Так, для рабочих поверхностей беговых дорожек подшипников качения оптимальна Rа = 0,04 ... 0,08 мкм, для зеркала цилиндров двигателей Rа = 0,08 ... 0,32 мкм, для пальца в соединении его с поршнем Rа=0,16...0,63 мкм, для отверстия в бобышке поршня Rа = 0,63 ... 1,25 мкм.
На интенсивность изнашивания деталей оказывает влияние не только высота, но и направление неровностей исходной шероховатости трущихся поверхностей. По данным исследований следует, что при легких условиях работы и жидкостном трении лучшие результаты получаются при совпадении направления следов неровностей с направлением перемещения трущихся деталей. В этих условиях имеет место большая площадь контакта поверхностей, разделенных слоем смазочного вещества.
При тяжелых условиях работы, когда давления значительны и смазка недостаточна, рекомендуется создавать на поверхностях пересекающиеся следы неровностей, при которых не происходит полного выдавливания смазочного материала, уменьшается вероятность схватывания и появления задиров.
От шероховатости поверхности существенно зависят сопротивление усталости деталей. Усталостному разрушению металла способствуют отдельные дефекты и неровности на поверхности детали, которые являются источниками концентрации напряжений. При грубой обработке, когда на поверхности имеются глубокие риски, последние выступают в роли первичных очагов концентрации напряжений. Во впадинах неровностей при циклических и знакопеременных нагрузках возникают субмикроскопические трещины, которые в дальнейшем разрастаются и приводят к образованию усталостных трещин и разрушению детали. Имеется общая закономерность, показывающая, что сопротивление усталости выше у деталей, поверхности которых обработаны более тонкими способами и имеют меньшую высоту микронеровностей. Чем грубее шероховатость, тем больше на ней впадин и глубоких рисок, на дне которых концентрируются и собираются корродирующие вещества, и поэтому здесь коррозия поверхности происходит интенсивнее. С уменьшением шероховатости коррозионная стойкость деталей повышается.
Исследованиями установлено, что шероховатость и волнистость поверхностей деталей влияют на точность сопряжений, прочность соединений с натягом, контактную жесткость, гидроплотность соединений и другие эксплуатационные характеристики отдельных деталей и узлов. Так, например, наличие волнистости в 5…10 раз уменьшает опорную площадь трущихся поверхностей и, следовательно, снижает их износостойкость. Волнистость желобов подшипников качения увеличивает уровень вибраций.
Влияние микротвердости на эксплуатационные свойства деталей. В процессе трения происходит механическое (внедрение) и молекулярное (притяжение, схватывание) взаимодействие поверхностей. Молекулярное взаимодействие сопутствует механическому, и степень их относительного проявления зависит от конкретных условий изнашивания. Но для снижения изнашивания деталей необходимо уменьшить взаимное внедрение трущихся поверхностей, чтобы предотвратить их схватывание. Поэтому повышение микротвердости при механической обработке способствует уменьшению внедрения и контактного схватывания, а следовательно, увеличивает износостойкость трущихся поверхностей.
Установлено, что в процессе изнашивания исходная микротвердость поверхностного слоя деталей изменяется. В период приработки на трущихся поверхностях не только формируется оптимальная шероховатость, но и создается оптимальная микротвердость поверхностного слоя детали. Исследования показали, что при трении в образцах с более высокой микротвердостью в процессе приработки она снижается до определенного значения (рис. 10.15, кривая 1), а в образцах с низкой исходной микротвердостью возрастает примерно до такого же значения (кривая 2). Оптимальная микротвердость трущихся поверхностей зависит от конкретных условий изнашивания.
Наличие наклепа повышает эксплуатационные свойства трущихся деталей при небольших скоростях и нормальных давлениях. При высоких скоростях скольжения и давлениях наклеп незначительно влияет на износостойкость деталей, хотя в отдельных случаях может и снижать ее.
Рис. 10.15. Изменение микротвердости образцов из стали 20
в процессе изнашивания:
1, 2 - соответственно исходная микротвердость Н = 4,0 и 1,2 ГПа
Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при наклепе деформация поверхностного слоя детали уменьшается главным образом за счет снижения ее пластической составляющей. Поэтому наклеп поверхностного слоя металла, полученный в результате механической обработки, приводит к увеличению контактной жесткости и контактной выносливости, что важно в деталях опор качения.
Упрочнение поверхностного слоя оказывает большое влияние на сопротивление усталости деталей машин. При этом наклепанный слой препятствует развитию существующих и возникновению новых усталостных трещин. Возникновение новых усталостных трещин в деталях с наклепанным поверхностным слоем происходит под этим слоем, и развитие их наблюдается при более высоких напряжениях и большем числе циклов нагружения по сравнению с деталями, не имеющими наклепа. Следовательно, наклепанный слой уменьшает интенсивность влияния всевозможных геометрических и структурных концентраторов напряжений, повышая тем самым сопротивление усталости.
Наклеп поверхностного слоя деталей при механической обработке снижает в большинстве случаев их коррозионную стойкость. При пластическом деформировании поликристаллического металла в нем создаются микронеоднородности, способствующие возникновению большого количества гальванических микроэлементов. В результате неоднородного деформирования зерен металла накопленная энергия повышается неравномерно и по-разному изменяется электродный потенциал. Ферритные зерна как более наклепанные становятся анодами, а менее наклепанные перлитные зерна - катодами. При этом ускоряется адсорбция и более интенсивно развиваются коррозионные и диффузионные процессы.
Однако при некоторых видах обработки и определенных условиях протекания процесса резания происходит завальцовывание пластически деформируемым ферритом путей проникновения коррозионных сред внутрь металла. В этих условиях наклепанный поверхностный слой может обладать достаточно высокой коррозионной стойкостью.
Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей. В настоящее время на основании ряда исследований установлено, что остаточные напряжения в поверхностном слое деталей независимо от их знака не оказывают заметного влияния на износостойкость деталей при трении. Объясняется это тем, что в процессе трения происходит интенсивное пластическое деформирование трущихся поверхностей. Остаточные напряжения, созданные механической обработкой, снимаются в начальном периоде изнашивания, а затем в процессе трения постепенно возникают остаточные напряжения сжатия, которые не зависят от остаточных напряжений в поверхностном слое металла, действовавших до начала трения.
Наиболее заметное влияние остаточные напряжения оказывают на сопротивление деталей усталости. При циклическом нагружении металлов наблюдается пластическая деформация отдельных, наиболее слабых зерен поверхностного слоя. Она сопровождается упрочнением металла и искажением кристаллической решетки. Если напряжения превышают предел выносливости, искажение атомной кристаллической решетки становится столь значительным, что наступает разрыв междуатомных связей по плоскостям скольжения. При этом наблюдаются субмикроскопические нарушения сплошности, т. е. разрыхление металла, которое приводит к возникновению усталостных трещин, а затем и к разрушению деталей.
Исследования показывают, что сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие – уменьшают его.
Имеются данные о том, что сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей повышают также надежность соединений с натягом. Нагревание деталей до сравнительно невысоких температур приводит к релаксации остаточных напряжений и тогда они уже не оказывают влияния на предел выносливости. Наши исследования [21] подтверждают сказанное. Из рис. 10.16 следует, что составы СОЖ и методы подвода их в зону резания при точении титановых сплавов оказывают заметное влияние на предел выносливости при испытаниях на изгиб вращающихся образцов.
Рис. 10.16. Влияние СОЖ и методов их подвода при точении на усталостную прочность образцов из титанового сплава ОТ4:
- распыливание СОЖ; - полив СОЖ;
1 - резание всухую, 2 – масло «Индустриальное 20»; 3 – Г3-3Х; 4 – РЗ-СОЖ8; 5 – СОЖ НИАТ
При температуре испытаний 20о С СОЖ повышают предел выносливости, выраженный числом циклов нагружений N при -1 = 305 Н/мм2:
- масляные СОЖ – полив в 1,7…2,3 раза, распыливание в 1,4…1,9 раза;
- эмульсия Р3-СОЖ8 – полив в 3,6 раза, распыливание в 3,1 раза;
- СОЖ НИАТ – полив в 4,3 раза, распыливание в 3,8 раза.
Как видно (рис. 10.16), водные СОЖ увеличивают N в большей степени, чем масла, а полив СОЖ – в большей степени, чем их распыливание, т.е. наблюдается хорошая корреляция расположения СОЖ по их воздействию на благоприятные сжимающие остаточные напряжения и предел выносливости титановых образцов (рис. 10.13 и 10.16).
При температуре усталостных испытаний 300о С воздействие СОЖ, применявшихся при обработке, сказывается на повышении стойкости образцов в циклах при -1 = 305 Н/мм2 значительно слабее, чем при нормальных температурах.
Ключевые слова и понятия
Обработанная поверхность |
Действительная высота |
(ОП) |
микронеровностей |
Качество ОП |
Наклеп |
Шероховатость ОП |
Упрочнение |
Номинальное сечение среза |
Разупрочнение (отдых) |
Действительное сечение среза |
Остаточные напряжения |
Остаточное сечение среза |
Износостойкость |
Теоретический профиль ОП |
Предел выносливости |
Расчетная высота микронеровностей |
|
Контрольные вопросы
Какими показателями характеризуется качество обработанной поверхности?
От каких факторов зависит расчетная высота микронеровностей?
В чем причины несоответствия расчетных и действительных значений микронеровностей обработанной поверхности?
Как режимы резания влияют на шероховатость обработанной поверхности?
Перечислите основные причины возникновения наклепа?
Каково воздействие силового и теплового факторов процесса резания на величину и знак остаточных напряжений?
На какие основные эксплуатационные характеристики детали оказывают влияние шероховатость обработанной поверхности, наклеп и остаточные напряжения?