5. Изменение физико-механических свойств поверхностей заготовок в процессе изготовления деталей

   1. Состояние поверхностного слоя заготовок

Поверхностный слой поковок из стали состоит из зоны обезуглеро­живания и переходной зоны, в которой наблюдается частичное обезугле­роживание. У горячештампованных заготовок глубина обезуглероженного слоя в зависимости от массы поковок находится в пределах 150...300 мкм; при свободной ковке (на молотах) может получиться более глубо­кий обезуглероженный слой - в пределах 500...1000 мкм, а у калиброванного проката (серебрянки) он не превышает 50 мкм. Поверхностный слой стальных отливок обычно имеет зону обезуглероживания глубиной до 200 мкм и далее переходную зону с частичным обезуглероживанием.

Отливки из серого чугуна обычно имеют перлитную корку на глуби­ну до 300 мкм (перлитная зона) и за ней - зону со значительным со­держанием феррита, переходящую постепенно в основную структуру (переходная зона).

Отмеченные отклонения свойств поверхностных слоев от свойств основного металла рассматривают в технологии машиностроения как де­фекты поверхностей, связанные с методами получения заготовок. Для получения деталей с заданным качеством поверхности во время меха­нической обработки их чаще всего удаляют.

2. Состояние поверхностного слоя деталей

На состояние поверхностного слоя деталей оказывает влияние нали­чие ряда технологических причин. Свойства поверхностей деталей (их твёрдость, структура и пр.) изменяются под влиянием одновременного воздействия силовых и температурных факторов, возникающих при их обработке.

При обработке заготовок лезвийным инструментом преобладающее воздействие оказывают силовые факторы. Их результатом при пласти­ческой деформации являются разрушение структуры, повороты и смещение кристаллов и наклёп (уплотнение) поверхностного слоя.

В поверхностном слое стальных деталей наблюдают три зоны:

зону резко выраженной деформации I, характеризуемую значите­льными искажениями кристаллической решётки, измельчёнными зёрнами, завихренным строением структурных составляющих и резким повышением микротвёрдости (рис. 93);

зону деформации II, характеризуемую вытянутыми зёрнами, наволакиванием одних зёрен на другие и значительным снижением микро­твёрдости сравнительно с верхним слоем;

переходную зону, представляющую собой зону влияния деформации и постепенного перехода к нормальному строению основного металла (III). В процессе механической обработки стали под действием усилий в зоне резания происходит упрочнение (наклёп) поверхностного слоя металла, а под влиянием повышенных температур - возврат к исходному состоянию - разупрочнению металла. Преобладание наклёпа или разупрочнения зависит от режима обработки. Так, при точении наклёп поверхностного слоя увеличивается с повыше­нием подачи S, глубины резания t, радиуса закругления вершины резца r и при переходе от положительных передних углов резца  к отрицательным, т.е. к методам силового резания.

При чистовой и черновой обработках деформация распространяется на глубину h= 50...300 мкм, а при обдирке - до h = 500...1000 мкм.

С повышением скорости резания продолжительность силового воздей­ствия инструмента на поверхность заготовки сокращается; одновремен­но увеличивается тепловое воздействие, приводящее к уменьшению сте­пени наклёпа, а в некоторых случаях к закалке.

Для шлифования характерна высокая температура, возникающая в то­нком поверхностном слое, и распространение тепла в условиях нестационарного температурного поля. При этом состоя­ние этого слоя в значительной мере определяется температурными явления­ми и в меньшей степени силовым воз­действием. В поверхностном слое про­исходят структурные преобразования и на границах зерен образуются карбиды, зоны закалки и отпуска, возникают положительные или отрицательные.остатоточные напряжения (рис. 94). Уровень напряжений может достигать и даже превышать напряжения предела текучести материала заготовки.

Глубина поверхностных слоев с чётко выраженными изменениями со­ставляет при черновом шлифовании 20...30 мкм, а при чистовом и тон­ком - до 5 мкм; остаточные напряжения распространяются на глубину до 150 мкм и более.