ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ПАРАМЕТРІВ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ З ТЕХНОЛОГІЄЮ ОБРОБКИ

Вплив способів технологічного впливу на хвилястість поверхні являє складний фізичний процес, на перебіг якого впливають такі основні фактори: геометрія інструменту і кінематика його переміщення; жорсткість технологічної системи і закон її зміни в процесі обробки; нерівномірність припуску, що знімається в результаті вихідної похибки форми, хвилястості і биття заготовки; розкид твердості по поверхні заготовки і ряд інших. Перераховані причини викликають коливання ріжучого інструменту, що і сприяє виникненню волнистости в поздовжньому і поперечному напрямках відносно вектора головного руху різання.

На рис. 5.7 приведена залежність висоти хвилі від факторів чистового точіння [за даними А. С. Суслова].

Необхідно відзначити, що параметри хвилястості, крім перерахованих факторів, залежать від пружних властивостей віброопорами верстата, фундаменту, числа одночасно працюючих верстатів на ділянці цеху, темпу зносу ріжучого інструменту, марки COTC і ряду інших причин. В зв'язку з цим

Залежність висоти хвиль W від глибини різання t при точінні і жорсткості технологічної системи j

Мал. 5.7. Залежність висоти хвиль W від глибини різання t при точінні і жорсткості технологічної системи j:

в разі регламентації конструктором параметрів хвилястості на поверхню деталі без експериментальної перевірки висотних і крокових параметрів поздовжньої і поперечної хвилястості обійтися, як правило, не вдається.

Вплив технологічних факторів на шорсткість поверхні є процесом дуже складним, що включає все різноманіття характеристик елементів технологічної системи: верстат - пристосування - інструмент - заготовка.

У загальному вигляді висота нерівностей може бути представлена залежністю

(5.19)

де - розрахункова висота нерівностей; - випадкова складова, неминуче виникає в процесі обробки в результаті пружного відновлення поверхні зрізу, пластичної деформації в зоні різання, контакту сходить стружки з обробленою поверхнею; тертям задньої поверхні інструмента, зносом ріжучої кромки, вібрацією в технологічній системі, освітою наросту на передній поверхні інструменту, наявністю і хімічним складом COTC і ін.

Розрахункову складову висоти нерівностей можна отримати за допомогою нескладних залежностей, наприклад для процесу точіння за формулою В. Л. Чебишева:

(5.20)

де S - подача різця, мм / об; r - радіус різця при вершині, мм.

приклад 5.1

Розрахуйте висоту нерівностей профілю після точіння нормализованной среднеуглеродистой стали при наступних технологічних факторах: t = 0,6 мм; S = 0,3 мм; V = 30 м / хв; r = 0,5 мм.

За залежності (5.20) визначимо розрахункову висоту нерівностей профілю

або 22,5 мкм, що цілком відповідає висоті мікронерівностей при точінні середньовуглецевих сталей різцями з радіусами при вершині і невисокими швидкостями різання.

При роботі гостро заточеним різцем без радіуса при вершині

(5.21)

де - головний і допоміжний кути різця в плані.

приклад 5.2

Розрахуйте висоту нерівностей профілю після чорнового точіння заготовки з сірого чавуну при наступних технологічних факторах:

Підставляючи вихідні дані в залежність (5.21), отримаємо

або 348 мкм, що також відповідає заданим умовам обробки.

Для обробки струганням

(5.22)

Тут S - подача на робочий хід, мм.

приклад 5.3

Розрахуйте висоту нерівностей плоскою сталевої поверхні після стругання при наступних технологічних умовах: S = 1,2 мм; г = 2,5 мм. Підставляючи вихідні дані в формулу (5.22), отримаємо

або 70 мкм, що відповідає умовам чорнового стругання.

Значення висотного параметра Ra шорсткості поверхні при шліфуванні периферією круга можна визначити за формулою

(5.23)

де - середнє значення радіуса заокруглень вершин абразивних зерен, мкм (табл. 5.3); - глибина шліфування, мкм; - коефіцієнт, що враховує вплив COTC на параметр Ra (табл. 5.4); - коефіцієнт, що враховує вплив коливань робочої поверхні круга відносно оброблюваної поверхні (в більшості випадків ); т - коефіцієнт, що враховує фактичне число зерен на робочій поверхні круга (табл. 5.5); - відношення швидкості обертання кола до швидкості обертання (переміщення) заготовки; - для плоского шліфування периферією круга; - для круглого зовнішнього (+) і внутрішнього (-) шліфування периферією круга, мм; q - коефіцієнт, що враховує мікрорельєф вершин абразивних зерен (для зерен з електрокорунду q = 1,5-1,8, для зерен з карбіду кремнію q = 2,0-2,3); N- зернистість шліфувального круга (63, 50, 40, 32, 25, 20, 16); V - об'ємний вміст зерен в колі,%; Vr = 62 - 2СТ; Ct - номер структури кола (1 - 12); F c - параметр, що враховує різницю висот між вершинами, зерен на робочій поверхні круга; H - число контактів розглянутого ділянки поверхні заготовки з колом.

Таблиця 5.3

Значення величини р, мкм

Зернистість круга по ГОСТу 3647-80 (в ред. 1995 р.) *

матеріал зерен

електрокорунд

карбід кремнію

63

40 ... 50

35 ... 40

40, 50

30 ... 35

25 ... 30

25. 32

20 ... 25

15 ... 20

16, 20

14 ... 17

12 ... 15

* "Матеріали шліфувальні. Класифікація. Зернистість і зерновий склад. Методи контролю".

Таблиця 5.4

Значення коефіцієнта k c

матеріал заготовки

синтетичні

COTC

емульсії

Середньовуглецеві незагартовані стали

1,0

0,93 ... 0,96

Середньовуглецеві загартовані стали

0,9 ... 0,92

0,9 ... 0,95

Цементуемие і азотіруемие стали

1,0 ... 1,05

1,10 ... 1,15

Інструментальні високовуглецеві загартовані стали

0,9 ... 0,95

1,0 ... 1,05

Високолеговані і швидкорізальні стали

0,7 ... 0,75

0,75 ... 0,8

Примітка. При обробці без охолодження k c = 1,0 ... 1,1.

Таблиця 5.5

Значення коефіцієнта т

Твердість круга по ГОСТу 19202-80 (в ред. 1991 г.)

Ml ... М3

СМ1 ... С1

С2 ... СТ2

Зернистість круга по ГОСТу 3647-80 (в ред. 1995 г.)

63

50,40

32,25

20,16

63

50,40

32,25

20,16

63

50,40

32,25

20,16

0.76

0.72

0,7

0,67

0,82

0,78

0,73

0,70

0,85

0,82

0,80

0,76

Параметр можна визначити за формулою

(5.24)

Значення А *, В, C наведені в табл. 5.6, значення E - в табл. 5.7.

Таблиця 5.6

Значення А *, B і C для шліфувальних кругів з електрокорунду і карбіду кремнію

параметр

Твердість круга по ГОСТу 19202-80 (в ред. 1991 р.) *

M1 ... М3

СМ1 ... С1

С2 ... СТ2

Зернистість круга по ГОСТу 3647-80 (в ред. 1995 г.)

50,40

32,25

20,16

63

50,40

32,25

20,16

63

50,40

32,25

20,16

А *

0,055

0,06

0,07

0,085

0,095

0,11

0,12

0,09

0,10

0,11

0,13

В

1,0

1,0

0,97

0,95

0,91

0,89

0,86

0,91

0,87

0,85

0,82

C

0,025

0,04

0,05

0,01

0,02

0,04

0,045

0,01

0,02

0,04

0,045

* "Інструмент абразивний. Вимірювання твердості методом вдавлення кульки".

Таблиця 5.7

Значення E, мкм

Необхідне значення параметра шорсткості Ra поверхні, мкм

менш 0,32

0,4 ... 0,8

Більше 1,0 мкм

Режим виправлення кола [3, 14]

тонкий

середній

грубий

10 ... 15

20 ... 25

40 ... 45

Значення H визначається схемою шліфування.

Для безцентрового, круглого зовнішнього та внутрішнього шліфування периферією круга з поздовжньою подачею

(5.25)

Для плоского шліфування периферією круга з періодичної поперечною подачею на верстатах з прямокутним столом

(5.26)

Для круглого зовнішнього та внутрішнього шліфування периферією круга (в тому числі і безцентрового) з поперечною подачею (урізне шліфування), а також для плоского шліфування периферією круга без періодичної поперечної подачі

(5.27)

У цих рівняннях: - частина висоти шліфувального круга, що контактує в ході обробки з заготівлею (для "гострого" кола (після редагування) , для зношеного (в кінці періоду стійкості) - ; - коефіцієнт, що враховує процес знімання металу на етапі виходжування за рахунок пружності технологічної системи (табл. 5.8).

Таблиця 5.8

Розрахункові залежності для визначення до {

Жорсткість технологічної системи, Н / мкм

понад 23

22 ... 18

17 ... 12

менш 12

1 + I 0.65

1 + I 0.5

1 + I 0.4

1 + I 0.3

Примітки. 1. / - число виходжувати ходів кола (для врізного шліфування / = " КVJ (D), де t b - час виходжування). 2. Якщо виходить k,> 5, то в розрахунках слід приймати It l = 5.

При регламентування інших параметрів шорсткості шліфованої поверхні, передбачених ГОСТом 2789-73 ', можна скористатися наступними рівняннями:

(5.28)

Тут р - рівень перетину профілю шорсткості.

приклад 5.4

Розрахунок параметра Ra шорсткості шліфованої поверхні за певних умов обробки. Шліфується заготівля призматичної форми зі сталі 40Х (40 ... 45 IIRC) на пласко верстаті з прямокутним столом. На пласко верстаті встановлено коло 1 - 200 × 20 × 76 24А25СМ17К5 Alien, який перед обробкою заготовки піддавався алмазної правки на середньому режимі (E ~ 25 мкм). Режими остаточного шліфування заготовки такі: швидкість обертання кола Vk - 25 м / с; швидкість переміщення столу верстата (швидкість поступального переміщення заготовки) V1 = 20 м / хв; періодична поперечна подача столу верстата S n = 4 мм / хід; глибина шліфування (періодична вертикальна подача шліфувальної бабки) Г- 10 мкм. Охолодження здійснюється вільним поливом емульсією. Яке значення параметра шорсткості Ra матиме оброблена поверхня заготовки?

Розрахунок параметра Ra шорсткості поверхні після остаточного шліфування зробимо за формулою (4.2). Вихідні дані для розрахунку за цією формулою наступні: р = 22 мкм (див. Табл. 5.3); £ = 10 мкм; до з = 0,93 (див. табл. 5.4); It 8 = 0,75 (див. С. 113); т = 0,73 (див. табл. 5.5); Vic / Vr3 = 25 • 60/20 = 75; Л = Dk = 200 мм; q = 1,7 (див. с. 114); N = 25 (зернистість шліфувального круга); V = 62 - 2Cj = = 62 - 2 • 7 = 48% (Ст = 7 - номер структури кола);

приклад 5.5

Paaiem параметрів шорсткості шліфованої поверхні за відомим значенням параметра R. Значення параметра Ra шорсткості шліфованої поверхні заготовки становить 0,5 мкм. Розрахуйте інші параметри шорсткості, якщо заготовка з среднеуглеродистой стали була піддана круглому зовнішньому шліфуванню із застосуванням абразивного круга зернистістю 40 (р = 30 мкм [див. Табл. 5.3]).

З огляду на умови завдання, відповідно до рівнянь (5.28) отримаємо:

• найбільша висота нерівностей профілю

• висота нерівностей профілю по десяти точках

• середній крок нерівностей по вершинах

• середній крок нерівностей

• відносна опорна довжина профілю, наприклад, на рівні перетину профілю р = 20%

приклад 5.6

Прогнозування параметра Ra шорсткості поверхні для інших умов шліфування. При обробці зовнішньої циліндричної поверхні заготовки на круглошліфувальні верстати методом поздовжньої подачі була отримана шорсткість обробленої поверхні Ra - 0,8 мкм, швидкість поздовжньої подачі V sxt і швидкість обертання шліфувального круга V k при цьому були відповідно рівні 2 м / хв і 30 м / с . Яка буде шорсткість поверхні заготовки, якщо режими обробки змінити наступним чином: 1) м / хв; 2) V k = 20 м / с; 3) V sxl = 1 м / хв і V k = 20 м / с?

Параметр Ra шорсткості поверхні при різних умовах шліфування можна розрахувати за рівнянням (5.23). У такому випадку, якщо розглянути ставлення шуканого параметра Ra до відомим значенням цього параметра, то в кінцевому підсумку можна отримати наступне співвідношення:

де Ra tt - шукане значення параметра Ra шорсткості поверхні при нових режимах обробки (V sxi і V K ) Ra - відоме значення параметра Ra при V k = 30 м / с і V sxi = 2 м / хв.

отже,

Тоді неважко визначити, що при CI м / хв

при

при і

Таким чином, варіюючи режими обробки можна істотно змінювати значення параметрів шорсткості поверхні.

Особливості формування фактичної шорсткості полягають в тому, що чим грубіше обробка, тим більше адекватно можна прогнозувати шорсткість розрахунковим способом. І, навпаки, при чистових і обробних методах обробки випадкова складова стає переважаючою.

Значний вплив на висоту нерівностей надає так званий наріст, який представляє собою масу дрібних частинок оброблюваного матеріалу, що доставляються сходить стружкою на передню поверхню інструменту.

Залежно від поєднання швидкісних і температурних факторів в зоні різання ці дрібні частки можуть разом зі стружкою покинути передню поверхню інструменту, а можуть за рахунок сил молекулярного взаємодії і утворити наріст, який докорінно змінює геометрію інструменту і відповідно непередбачувано впливає на шорсткість поверхні.

Цей ефект вперше був встановлений Π. Е. Дьяченко при обробці нормалізованої сталі 45 твердосплавним інструментом.

На рис. 5.8 представлений графік залежності висоти нерівностей від швидкості обробки.

У зоні малих швидкостей різання температура сходить стружки невелика, процеси молекулярного взаємодії частинок металу з передньою поверхнею інструменту практично відсутні, наріст не утворюється і висота нерівностей незначна.

Вплив швидкості точіння стали 45 на шорсткість поверхні (дані Л. А. Маталін)

Мал. 5.8. Вплив швидкості точіння стали 45 на шорсткість поверхні (дані Л. А. Маталін):

Подальше збільшення швидкості різання приводить до зростання температури, утворенню зливний стружки і активізації молекулярного взаємодії частинок металу з поверхнею інструменту, які як би навариваются на неї в безпосередній близькості від вершини різця, утворюючи в діапазоні швидкостей різання від 0,3 до 0,6 м / з максимальний наріст і висоту нерівностей відповідно.

Подальше збільшення швидкості різання веде до зменшення наросту і висоти нерівностей, що пов'язано зі зменшенням часу взаємодії стружки з інструментом і контактних навантажень в цій зоні.

Це пояснює призначення високих швидкостей різання при чистовій обробці. Зменшити ймовірність утворення наросту можна також за рахунок застосування СОТС, які впроваджуються як би третій середовищем між поверхнею інструменту і стружкою, зменшуючи силу тертя і перешкоджаючи їх молекулярному взаємодії.

Застосування сучасних інструментальних матеріалів на основі керамічних композицій або кубічного нітриду бору по своїм фрикційним властивостям при обробці переважної більшості конструкційних матеріалів запобігає утворенню наросту, істотно знижуючи ймовірність його появи, на різних захисних покриттях, наносяться на твердосплавних і швидкорізальний інструмент.

Подача інструменту при лезових методах обробки істотно впливає на висотні і крокові параметри микронеровностей. Як видно з залежностей (5.20) - (5.22), зі збільшенням подачі висота нерівностей зростає, ця тенденція, як правило, стосується і крокових параметрів. На рис. 5.9 представлені графічні залежності впливу подачі на параметри R a і S m при обтачивании.

Глибина різання, що призначається технологом для певної стадії обробки (чорнова, напівчистова, чистова, тонка), практично не впливає на параметри шорсткості. При призначенні цього елемента режиму різання слід керуватися забезпеченням необхідної точності і продуктивності.

З геометричних характеристик ріжучого інструменту найбільший вплив на шорсткість поверхні надають кути в плані, радіус при вершині і радіус р округлення головної різальної крайки.

Вплив подачі при точінні сталі 45 (HRC 40 ... 44) різцями з мііералокерамікі ВОК-71 на параметри шорсткості

Мал. 5.9. Вплив подачі при точінні сталі 45 (HRC 40 ... 44) різцями з мііералокерамікі ВОК-71 на параметри шорсткості:

t - 0,2 мм; V- 2,5 м / с

Нижче наведені деякі емпіричні залежності для розрахунку параметрів шорсткості після деяких методів обробки.

Так, для чистового точіння нормалізованих сталей твердосплавними різцями марки Т15К6:

(5.29)

тут - передній кут різця.

Значення коефіцієнтів в залежності (5.29) наведено в табл. 5.9.

Таблиця 5.9

Значення коефіцієнтів в 0 - в 4 у формулі (5.29)

опрацьований

матеріал

коефіцієнт

сталь 20

41,8

0,75

-0,38

0,25

-0,55

сталь 45

6,99

0,85

-0,36

0,15

-0,65

сталь 70

5,8

1,1

-0,15

0,45

-0,68

Інтервали факторів точіння, в яких справедлива залежність (5.29): S = 0,05-0,43 мм / об; V = 71-282 м / хв; γ - -40 + 4 °; р = 0,04-0,2 мм.

приклад 5.7

Розрахуйте значення середньоарифметичного відхилення профілю поверхні нормалізованої сталі 45 після чистового точіння різцями марки Т15К6, з радіусом при вершині 0,8 мм, у = -10 °, подачею S = 2 мм / об і швидкістю різання V- 130 м / хв. Підставляючи вихідні дані в залежність (5.23), отримаємо

При тонкому точінні загартованих сталей 45 і У10А різцями з композиту 01

(5.30)

Тут - шорсткість після чистового точіння; - радіус округлення головної різальної крайки.

Значення коефіцієнтів у формулі (5.30) наведено в табл. 5.10.

Таблиця 5.10

Значення коефіцієнтів в залежності (5.30)

опрацьований матеріал

коефіцієнт

Сталь 45 HRC 40 ... 44

0,16

0,037

0,59

-0,19

0,66

-0,29

-0,09

Сталь У10А HRC 60 ... 64

0,68

0,03

0,77

-0,24

0,56

-0,28

-0,12

Інтервали факторів тонкого точіння: R a = 1,3-3,6 мкм; S = 0,02 0,08 мм / об; V = 40-90м / хв; γ = -10 ... + 10 °; г = 6,1- 0,8 мм; р = 0,02-0,08 мм.

У табл. 5.11 наведені можливості деяких технологічних методів обробки по забезпеченню параметрів шорсткості при заданій точності обробки.

Таблиця 5.11

Зв'язок параметрів шорсткості з точністю обробки деякими технологічними методами

метод обробки

Квалитет

точності

параметри шорсткості

чистове обточування

8-9

0,8-2,5

2-6

0,08-0,16

шліфування тонке

5-6

0,05-0,25

0.12-0,7

0,008-0.025

Суперфінішування

4-6

0,08-0,16

0,2-0,5

0,006-0.02

обкатування

5-7

0,05-1,0

0,063-2,0

0,025-0,2

Алмазне вигладжування

6-8

0,05-2,0

0,063-6,0

0,025-1,25

* Нестандартний параметр шорсткості - відстані від лінії виступів до середньої лінії профілю.

Таблиця 5.11 дає уявлення про можливості технологічних методів при використанні економічно обґрунтованого обладнання, оснащення, режимів і відповідної кваліфікації виробничого персоналу.

Для прогнозування деяких експлуатаційних показників деталей машин найбільш інформативним параметром шорсткості є відносна опорна довжина профілю t p. Для ілюстрації цієї тези на рис. 5.10 наведені графіки цього параметра трьох різних мікрорельєфів.

Вплив виду мікрорельєфу на криву відносної опорної довжини профілю

Мал. 5.10. Вплив виду мікрорельєфу на криву відносної опорної довжини профілю

У разі рівного розподілу параметра характер кривих щодо опорної довжини профілю істотно відрізняється. Ряд дослідників характер кривої відносної опорної довжини профілю ототожнює з демонстрацією несучої здатності поверхні, по профілограми з якої ці криві побудовані.

Наочно порівняння несучих здібностей двох поверхонь, що мають різні висотні параметри, можна побачити на рис. 5.11.

Зміст металу на рівні 1 мкм від лінії виступів при алмазного вигладжування становить близько 45%, при тонкому точінні - близько 25%. Таким чином, ГОСТ 2789-73 оцінює дану поверхню, наприклад, з точки зору експлуатації в умовах зношування.

Види кривих відносної опорної довжини профілю

Мал. 5.11. Види кривих відносної опорної довжини профілю:

1 - діамантове вигладжування; 2 - тонке шліфування

Формування фізико-механічних параметрів стану поверхневого шару (наклепу і залишкових напруг) залежить від одних і тих же факторів обробки, які впливають на одні і ті ж обсяги матеріалу.

Як вже зазначалося в параграфі 5.1, даними факторами є силові, швидкісні і температурні, характерні свої особливості не тільки для різних методів обробки, але і для кожного технологічного переходу в рамках відповідної операції.

Очевидно, що наклеп визначає пластичну (необоротну) частку деформації, а залишкові напруги упругопластические.

Для ілюстрації впливу окремих факторів на максимальну поверхневу мікротвердість і глибину наклепу h н наведені графічні залежності цих параметрів від умов технологічних операцій (рис. 5.12-5.14) (поданням А. А. Маталін).

Ступінь впливу режимів чистового точіння на параметр U н приведена на рис. 5.15.

Говорячи про ступінь впливу кожного з факторів точіння окремо, можна переконатися, що глибина різання в усіх досліджених ситуаціях займає перше місце. Ранги таких факторів точіння, як подача, швидкість і радіус при вершині перемішані, що можна пояснити відмінностями теплофізичних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів.

Крім того, фактичні значення таких характеристик матеріалу, як межа плинності і міцності, а також величин контактних майданчиків ін-

Вплив подачі S і радіуса r при вершині різця на поверхневу мікротвердість

Мал. 5.12. Вплив подачі S і радіуса r при вершині різця на поверхневу мікротвердість:

матеріал - сталь 45 нормалізована; різець - Т15К6; α - γ - 10е; φ - 60 °

Вплив переднього кута різця на мікротвердість і глибину наклепу зразків зі сталі 45

Мал. 5.13. Вплив переднього кута різця на мікротвердість і глибину наклепу зразків зі сталі 45

Вплив швидкості різання на зміцнення сталей, що не зазнають структурних змін

Мал. 5.14. Вплив швидкості різання на зміцнення сталей, що не зазнають структурних змін:

1 - сталь ЗОХГС; 2 - сталь 20

Ранжування факторів чистового точіння за ступенем їх впливу на параметр U11 при обробці різними інструментальними матеріалами сталей і високоміцного чавуну

Мал. 5.15. Ранжування факторів чистового точіння за ступенем їх впливу на параметр U 11 при обробці різними інструментальними матеріалами сталей і високоміцного чавуну

струмента з поверхнею деталі і, отже, тисків в процесі обробки, змішані.

Величина і знак технологічних залишкових напруг в значній мірі залежать від швидкості різання і властивостей оброблюваних матеріалів. На рис. 5.16 наведені криві залишкових напружень в залежності від швидкості точіння (дані Б. А. Кравченко і Г. А. Дерягина).

При обробці стали ЕІ437Б, що відрізняється значною пластичністю, в металі виникають залишкові напруги розтягнення (див. Рис. 5.16, а ), підвищення швидкості призводить до зростання теплових напруг, що розтягують.

При обробці матеріалів, що сприймають гарт, наприклад, стали 30ХГСА (див. Рис. 5.16, б ), збільшення кількості теплоти в зоні різання

Вплив швидкості різання на залишкові напруги

Мал. 5.16 . Вплив швидкості різання на залишкові напруги:

а - сталь ЕІ437Б; б - сталь 45 ХНМФА

зі зростанням швидкості точіння сприяє подзакалке тонкого поверхневого шару, інтенсивність якої зростає зі збільшенням швидкості різання. Збільшення питомої обсягу металу поверхневого шару при його загартуванні призводить до зниження залишкових напружень розтягу і переходу їх в напруги стиснення при обробці на великих швидкостях.

Характерні епюри залишкових напружень після різних методів обробки наведені на рис. 5.17.

Для деяких методів обробки в табл. 5.12 наведені значення фізико-механічних параметрів стану поверхневого шару.

У табл. 5.13 дані деякі емпіричні залежності фізико-механічних параметрів від методів і умов обробки.

приклад 5.8

Визначте глибину наклепу поверхні загартованої сталі 45 при точінні різцями з композиту 0,1. Умови обробки: t = 0,3 мм; S = 0,05 мм / об; V = = 60 м / хв; г = 0,5 мм; ркр = 0,06 мм. З табл. 5.13 скористаємося залежністю, відповідної заданим умовам:

Підставляючи значення, отримаємо

Типові епюри тангенціальних залишкових напруг

Мал. 5.17. Типові епюри тангенціальних залишкових напруг:

1 - точіння - різець BOK - 60. сталь 45 загартована: t = 0,1 мм, S = 0,07 мм / об, V = 100 м / хв, r = - 0,1 мм; 2 - кругле шліфування - сталь 45 норм .: t - 0.004 мм, Slip - 300 мм / хв, Vr- 25 м / с, Z = 4 5 мкм; 3 - урізне шліфування - чавун ВПЛ: Sp = 0,006 мм / об, V = 50 м / с, r = 110 мкм; 4 - діамантове вигладжування - чавун ВПЛ: S - 0,5 мм / об, r - 1,5 мм, V = 120 м / хв, P - 200 H

Таблиця 5.12

Значення фізико-механічних параметрів стану поверхневого шару після різних методів обробки

метод обробки

опрацьований матеріал

інструментальний матеріал

Точність і шорсткість поверхні

Фізико-механічні параметри поверхневого шару

квалітет

точності

Ra,

мкм

Обточування (розточування):

• чистове

Сталь 45 нормалізована

Твердий сплав Т15К16

7-8

Сталь 45 HRC 40 ... 44

Мінералокераміка ВОК-71

7-8

Сталь ШХ15 IIRC 58 ... 60

композит 01

7-8

Високоміцний чавун ВЧ 60

композит 10

7-8

• тонке

Сталь 45 HRC 40 ... 44

композит 01

6-7

Сталь ШХ15 IIRC 58 ... 60

композит 10

6-7

Високоміцний чавун ВЧ 60

кіборит

6-7

• діамантове

Сталь 45 HRC 40 ... 44

композит 01

6

Сталь ШХ15 HRC 58 ... 60

композит 10

6

Високоміцний чавун ВЧ 60

кіборит

6

шліфування:

• чистове

Сталь ЗОХНЗА НВ 230-235

25А25СМ1 6 До

7

Сталь 110М13Л НВ 180-220

25А25СМ1 6 До

7

• тонке

Сталь ЗОХНЗА HВ 230-235

25А16СМ1 6 До

6

Сталь 110М13Л НВ 180-220

25А16СМ1 6 До

6

хонингование

Чавун СЧ 30 HВ 190-230

63С12СТ1 До

5-6

Високоміцний чавун ВЧ 60

63С12СТ1 До

5-6

Алмазне вигладжування

Сталь 45 I IRC 40 ... 44

АСПК rз

6-7

Високоміцний чавун ВЧ 60

АСПК r1,5

6-7

Таблиця 5.13

Залежно фізико-механічних параметрів від методів обробки та факторів технологічних операцій

п / п

метод обробки

параметр

залежність

область адекватності

1

точіння

глибина

наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; різець - композит 01; t - 0,1 ... 0,4 мм;

5 = 0,02 ... 0,08 мм / об;

т-0,1 ... 0,8 мм; р ^ - 0,02 ... 0,08 мм;

У = 40 ... 100 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь У10А HRC 60 ... 64; різець - композит 01; t - 0,1 ... 0,4 мм;

  • 5 = 0,02 ... 0,08 мм / об; т =
  • - 0,1 ... 0,8 мм; У-60 ... 80 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь 65Г HRC 61. "65; різець - ВОК-71; t = 0,05 ... 0,2 мм;

5 - 0,05 ... 0,16 мм / об; т - = 0,1 ... 1,2 мм; У = 80 ... 180 м / хв

ступінь наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; різець - ВОК-71; t = 0,1 ... 0,3 мм; 5 = 0,07 ... 0,16 мм / об; г - 0,1 ... 1,2 мм; У-100 ... 250 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь 65Г HRC 61. "65; різець - композит 01; t = 0,1 ... 0,4 мм; 5 =

- 0,05 ... 0,16 мм / об; т - 0,1 ... 0,8 мм; У = 120 ... 300 м / хв

Опрацьований матеріал - чавун ВЧ 60; різець - композит 10; t = 0,1 ... 0,6 мм; 5 - = 0,05 ... 0,18 мм / об; т = 0,1 ... 1 мм; У-150 ... 400 м / хв

Глибина залягання залишкових напруг

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; різець - композит 01; t = 0,1 ... 0,4 мм;

5 = 0,02 ... 0,08 мм / об; г = 0,1 ... 0,8 мм; ph1> = 0,02 ... 0,08 мм; У-40 ... 100 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь У10А HRC 60 ... 64; різець - композит 01; t = 0,1 ... 0,4 мм; 5 =

- 0,02 ... 0,08 мм / об; г - 0,1 ... 0,8 мм; У = 60 ... 80 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь 65Г IIRC 61 ... 65; різець - композит 01; t = 0,1 ... 0,4 мм; 5 "

= 0,05 ... 0,16 мм / об; г = 0,1 ... 0,8 мм; У = 120 ... 300 м / хв

2

Кругле зовнішнє шліфування периферією круга

глибина наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; коло 25А16 Cl 5К ... 25Л32С1 5К; t (S uo J = 0,004 ... 0,008 мм;

S = 200 ... 600 мм / хв;

V = 30 ... 50 м / с; Z - 180 ... 350 мкм

Опрацьований матеріал - сталь 65Г HRC 61 ... 65; коло 25Л16С1 5К ... 25Л25С1 6К; t (S AС) = 0,004 ... 0,01 мм;

5 - 200 ... 600 мм / хв;

V = 30 ... 50 м / с; Z = 180 ... 280 мкм

ступінь наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; коло 25А16 Cl 5К ... 25А32С1 5К; t (S non ) = 0,004 ... 0,008 мм;

S - 200 ... 600 мм / хв;

V = 30 ... 50 м / с; Z = 180 ... 350 мкм

Опрацьований матеріал - сталь 65ГIIRC 61 ... 65; коло 25А16 Cl 5К ... 25А25 Cl 6К;

KS mJ = 0,004 ... 0,01 мм;

S - 200 ... 600 мм / хв;

V = 30 ... 50 м / с; Z = 180 ... 280 мкм

Глибина залягання залишкових напруг

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; коло 25Л16 Cl 5К ... 25А32С15К; t (S non ) = 0,004 ... 0,008 мм;

S = 200 ... 600 мм / хв;

V = 30 ... 50 м / с; Z = 180 ... 350 мкм

Опрацьований матеріал - сталь 65Г HRC 61 ... 65; коло 25А16С1 5К ... 25А25С1 6К; t (S nan ) - 0,004 ... 0,01 мм;

S = 200 ... 600 мм / хв;

V - 30 ... 50 м / с; Z - 180 ... 280 мкм

3

Алмазне вигладжування

глибина наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; индентор - АСПК; г = 1,5 мм; СОТС - масло І-20А; Р = 50 ... 250 Н; S - = 0,06 ... 0,1 мм / об, V = 40 ... 60 м / МНН

Опрацьований матеріал - сталь 65ГIIRC 61 ... 65; индентор - АСПК; г - 1,5 мм; СОТС - масло І-20А; Р = 50 ... 250 Н; S =

= 0,06 ... 0,1 мм / об; V = 40 ... 60 м / хв

ступінь наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; индентор - АСПК; г = 1,5 мм; СОТС - масло І-20А; Р = 50 ... 250 Н; S- = 0,06 ... 0,1 мм / об; V = 40 ... 60 м / хв

3

Алмазне вигладжування

ступінь наклепу

Опрацьований матеріал - сталь 65 Г HRC 61 ... 65: индентор - АСПК; г = 1,5 мм; СОТС - масло І-20Л; Р - 50 ... 250 Н; S - = 0,06 ... 0,1 мм / об; V = 40 ... 60 м / хв

Глибина залягання залишкових напруг

Опрацьований матеріал - сталь 45 HRC 40 ... 44; индентор - ACII К; г - 1,5 мм; СОТС - масло І-20А; Р = 50 ... 250 Н; 5 =

- 0,06 ... 0,1 мм / об; V- 40 ... 60 м / хв

Опрацьований матеріал - сталь 65Г HRC 61 ... 65: индентор - АСПК; г = 1,5 мм; СОТС - масло І-20Л; Р - 50 ... 250 Н; S - = 0,06 ... 0,1 мм / об: V = 40 ... 60 м / хв

приклад 5.9

Для умов, даних у попередньому прикладі, визначте глибину залягання технологічних залишкових напруг. Для вирішення скористаємося такою залежністю з табл. 5.13

При обробці більшості конструкційних матеріалів в поверхневому шарі неминуче протікають структурно-фазові перетворення, внаслідок яких виникають високі локальні напруги.

Це явище обумовлено розходженням у питомій обсязі сформованих фаз у порівнянні з вихідними, що інтенсифікує дифузійні процеси. За результатами досліджень С. Л. Клименко в процесі різання наплавлених покриттів твердістю 45 ... 55 HRC зі швидкостями різання до 1,5 м / с відбувається зниження кількості залишкового аустеніту. Подальше збільшення швидкості різання приводить до збільшення температури в зоні обробки, що сприяє появі елементів разупрочнения, що виявляються в зростанні кількості залишкового аустеніту, і зниження мікроіскаженій кристалічної решітки, що виникли в результаті деформування при різанні.

З структурних параметрів найбільш просто визначається середній розмір зерна стали d методами металографічного аналізу.

Зміни хімічного складу, що відбуваються в технологічному поверхневому шарі, аналітично передбачити практично неможливо. Це пов'язано з нерівномірністю вихідного хімскладу по поверхні і глибині, складністю розрахунку фактичної температури в зоні обробки, коливаннями складових сили різання і рядом інших причин.

На сьогоднішній день найбільш інформативним способом оцінки елементного складу поверхонь матеріалів вважається метод електронної оже-спектроскопії (ЕОС).

В основі ЕОС лежать процеси іонізації внутрішніх атомних рівнів первинним електронним пучком і вихід оже-електрона в вакуум, де він реєструється за допомогою електронного спектрометра. Фізична картина оже-процесу виглядає наступним чином: падаючий електрон з досить великою енергією вибиває електрон з внутрішнього рівня, а що утворилася вакансія миттєво заповнюється іншим електроном.

Енергія при такому переході може звільнятися у вигляді характеристичного рентгенівського випромінювання або передаватися іншій електрону, що знаходиться на іншому рівні. Цей електрон виходить в вакуум і реєструється як оже-електрон. Робота виходу такого електрона має строго певний, досить вузький, діапазон, що характеризує конкретний хімічний елемент.

Як приклад використання методу ЕОС для дослідження елементного складу технологічних поверхонь (рис. 5.18 і 5.19) наведено типові оже-спектри, зняті з вихідних і оброблених поверхонь сталевих і чавунних зразків відповідно. З хімічного складу поверхневих шарів видно, що у вихідній поверхні як стали, так і чавуну азот нс виявлений. Після обробки в режимі чистового обточування різцями з композиту 10 (t = 0,3 мм; S = 0,08 мм / об; V = 220 м / хв, а без СОТС) в оже-спектрах наочно видно присутність азоту, який є одним з основних компонентів композитів на базі кубічного нітриду бору. Цей факт свідчить про активний процес диффундирования, що відбувається на майданчиках контакту інструменту зі зразком в процесі обробки.

Типові оже-спектри поверхні загартованих зразків зі сталі 65Г

Мал. 5.18. Типові оже-спектри поверхні загартованих зразків зі сталі 65Г:

а - основа: б - поверхня, оброблена композитом 10

Типові оже-спектри поверхні зразків з високоміцного чавуну

Мал. 5.19. Типові оже-спектри поверхні зразків з високоміцного чавуну:

а - основа; б - поверхня, оброблена композитом 10

Відсутність бору в хімічному складі поверхневого шару після обробки композитом 10 досить добре пояснює графік (рис. 5.20).

Розрахункові значення коефіцієнтів дифузії азоту і бору в альфа-залозі в залежності від температури

Мал. 5.20. Розрахункові значення коефіцієнтів дифузії азоту і бору в альфа-залозі в залежності від температури

У полулогарифмической сітці дані залежності коефіцієнтів дифузії азоту і бору від температури (К) процесу. Точка перетину прямих коефіцієнтів дифузії азоту і бору відповідає приблизно 1100 К (~ 830 ° С), і до цієї температури теоретичний аналіз показує очевидні переваги процесу диффундирования азоту. Ця обставина непрямим чином дозволяє зробити ще один важливий висновок: температура контакту "задня грань різця - оброблена поверхня" не перевищувала 830 ° С при заданих умовах обробки.

Зі збільшенням швидкості обробки відсоток вмісту азоту зростає (рис. 5.21), що пояснюється зростанням температури і відповідно коефіцієнта дифузії. Абсолютна величина процентного вмісту азоту в поверхневих шарах чавунних зразків поступається відповідним значенням в сталях через більшої кількості легуючих хімічних елементів в структурі чавуну.

Коректність використання рівня еее як комплексного критерію фізико-хімічного складу технологічної поверхні буде показана на прикладі деяких найбільш поширених чистових і обробних методах обробки. Нагадаємо, що рівень екзоеміссіонного струму в значній мірі характеризує енергійно активність поверхні і відповідно ступінь втручання технології в структурно-фазову і електронну систему конструкційний матеріал. Розглянемо (рис. 5.22) експериментальні залежності діфференцірован-

Залежність процентного вмісту азоту в домішках поверхневого шару від швидкості руху

Мал. 5.21. Залежність процентного вмісту азоту в домішках поверхневого шару від швидкості руху

Вплив технологічних факторів на рівень еее при різних методах обробки загартованої сталі 45

Мал. 5.22. Вплив технологічних факторів на рівень еее при різних методах обробки загартованої сталі 45:

а - точіння (різець - композит 10); б - кругле шліфування (коло - електрокорунд білий); в - діамантове вигладжування (нндентор - АСПК)

ного впливу основних елементів режимів досліджуваних методів обробки на еее.

При точінні глибина, подача і швидкість різання якісно однозначно впливають на величину екзотока: з їх збільшенням параметр / зростає, причому в досліджених діапазонах зміни режимів обробки ці залежності носять монотонний характер. Зростання екзотока зі збільшенням глибини різання і подачі пов'язаний зі зростанням деформаційних впливів на метал поверхневого шару і, отже, зі збільшенням числа дефектів в зернах матеріалу. Збільшення ж швидкості різання супроводжується зростанням температури деформування, що сприяє більш інтенсивному процесу локалізації вільних електронів у поверхонь знову утворених зерен і зменшення роботи виходу при подальшій фотостимуляції.

Якісно характер впливу глибини і швидкості круглого зовнішнього шліфування на еее зберігається таким же, як і при точінні.

Вплив поздовжньої подачі носить зворотний характер, тобто з її збільшенням значення екзотока зменшується, що пов'язано зі зниженням імовірності багаторазового впливу на один і той же мікрооб'ем металу поверхневого шару зерен круга.

Аналогічне вплив подачі на екзоеміссію простежується і при алмазного вигладжування. Очевидно, що ефективність деформаційного впливу на метал поверхневого шару зменшується зі збільшенням поздовжньої подачі.

Зростання зусилля вигладжування і швидкості в досліджених діапазонах сприяє збільшенню еее.

Для виявлення комплексного впливу факторів механічної обробки можна використовувати емпіричні залежності (5.31) - (5.34), які справедливі для тонкого точіння ряду конструкційних матеріалів.

точіння:

(5.31)

кругле шліфування:

(5.32)

урізне шліфування:

(5.33)

діамантове вигладжування:

(5.34)

Значення коефіцієнтів Ь 0, враховують опрацьований матеріал, дані в табл. 5.14.

Таблиця 5.14

Значення коефіцієнтів b0

метод

обробки

матеріал

сталь 45 нормалізована

сталь 45 загартована

сталь 65 Г загартована

чавун ВПЛ

точіння

80,8

98,6

116,3

73,8

кругле шліфування

1,15 • 103

1,58 • 103

1,92 • 103

1,45 • 103

урізне шліфування

362,6

471,6

546,4

395,5

Алмазне вигладжування

54,8

94,5

86,8

69,7

Значний практичний інтерес представляє статистичний зв'язок між розміром зерна d (номером по ГОСТу 5639-82) і щільністю дислокацій з еее, яка виражається залежностями:

(5.35)

(5.36)

Наведемо значення коефіцієнтів (табл. 5.15).

Таблиця 5.15

Значення коефіцієнтів у формулах (5.35) і (5.36)

коефіцієнт

матеріал

сталь 45

нормалізована

сталь 45 загартована

сталь 65Г загартована

0,019

0,024

0.029

6,5

6,9

7.2

2,2 • 106

1,9 • 107

2,9 • 107

22

15

84

приклад 5.10

Визначте середній розмір зерна і щільність дислокацій в поверхневому шарі деталей з нормалізованої сталі 45 після круглого зовнішнього шліфування. Умови обробки: матеріал кола - електрокорунд білий; глибина t = - 0,2 мм; подача S - 600 мм / хв; швидкість різання V - 35 м / с.

Щоб вирішити задачу, скористаємося залежностями (5.26), (5.29) і (5.30).

Наведені дані свідчать про можливість застосування методу еее як комплексного для оцінки фізико-хімічного стану поверхневого шару. Технічною перешкодою для його широкого використання є відсутність промислового випуску експериментальних установок, що визначають рівень екзотока при термо- або фото- стимуляції поверхонь зразків або деталей в глибокому вакуумі.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >