Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности

Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности.

Основным параметром геометрической точности поверхности является шероховатость, которая зависит от методов обработки, режимов резания, геометрических параметров и качества заточки режущих пластин инструмента, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, жесткости технологической системы, наличия охлаждающей жидкости и др.

Профессором П.Е Дьяченко предложена общая формула, определяющая параметр шероховатости:

R(z)=R(p)+R(пл)+R(упр)+R(л)+R(а)+R(ж)

Где R(p)-расчетная высота шероховатости, зависящая от продольной подачи;

R(пл)-шероховатость, получаемая в результате пластического деформирования металла лезвием инструмента;

R(упр)-доля высоты шероховатости, которая получается в результате упругого восстановления металла после прохода инструмента;

R(л)-шероховатость, создаваемая неровностями и дефектами лезвия инструмента;

R(а)-шероховатость, получаемая за счет взаимодействия стружки с обработанной поверхностью детали или за счет повторного взаимодействия с лезвием режущего инструмента;

R(ж)-шероховатость, возникающая из-за податливости технологической системы;

Рис48. Схемы образования расчетной высоты шероховатости.

Шероховатость обработки прежде всего зависит от геометрических размеров и формы лезвии инструмента, контактирующего с обрабатываемой поверхностью. В этом случае высота неровностей может быть легко определена с помощью формул, которые могут быть получены для любых вариантов обработки (рис 48).

В процессе резания при снятии или без снятия стружки при использовании методов пластического деформирования происходит необратимая деформация кристаллов металла. Волна деформации распространяется во все стороны от инструмента, в том числе и в сторону уже обработанной поверхности. При этом на детали формируются наросты, трещины и т.д., которые повышают шероховатость поверхности.

Процесс снятия стружки происходит неравномерно. Первоначально инструмент соприкасается с обрабатываемой поверхностью и сила давления на металл начинает расти. Металл под действием силы резания начинает упруго деформироваться. После того, как сила резания станет больше предела прочности металла, происходит его разрушение, сопровождающееся снятием стружки с единичного участка. При этом режущий инструмент совершает скачкообразное перемещение относительно обрабатываемой детали, часть металла упруго деформируется и после прохода инструмента возвращается в исходное состояние. На обработанной поверхности образуются чередующиеся участки срезанного металла и упруго деформированного, причем эти участки имеют разную высоту неровностей.  Рис 51. Схема образования нароста и шероховатости поверхности.

Качество обработанной поверхности зависит от качества заточки режущего лезвия инструмента. Если на лезвии есть риски, трещины, выбоины, то они автоматически перенесутся на обрабатываемую поверхность. Дефекты поверхности будут особенно существенны при обработке однолезвийным инструментом, а также при значительном пути резания, например, при строгании, протягивании и т.д.

Существует много схем обработки, при которых отвод стружки затруднен. Например, при растачивании, сверлении, нарезании резьбы и т.д., полное удаление стружки из зоны резания не гарантировано. В результате стружка может опять попадать под режущее лезвие, что оказывает отрицательное влияние на формирование обработанной поверхности.

Деформации в технологической системе, вызванные силами резания, изменяют положение вершины резца относительно обрабатываемой заготовки. Кроме того, как правило, державки резцов изготавливаются из закаленной стали, которая имеет высокую жесткость. Державки при этом не гасят колебания, возникающие в зоне резания, а наоборот, их поддерживают. В результате режущее лезвие совершает высокочастотные колебания, что увеличивает шероховатость обработки.

Из параметров режимов резания наибольшее влияние на шероховатость обработки оказывают скорость резания и подача. С изменением скорости резания изменяется высота нароста, которая наибольшим образом связана с возникновением на поверхности обработанной детали сколов, микротрещин и других дефектов.

На рис. 52 показана зависимость шероховатости от скорости резания. График можно разделить на четыре зоны. Первая зона соответствует малым скоростям резания, порядка 1 м/мин. Нарост при такой скорости не образуется, поверхность после обработки не имеет задиров.

Рис 52. Влияние скорости резания на шероховатость обработки.

Во второй зоне скорость резания составляет от 1 до 30 м/мин. В этом случае величина нароста максимальна , поверхность имеет высокую шероховатость.

Третья зона соответствует скоростям резания от 25 до 80 м/мин. При резании с такими скоростями величина нароста уменьшается, а качество обработанной поверхности улучшается.

При скорости резания более 80 м/мин нарост отсутствует. В этой зоне параметр шероховатости близок к расчетному и с изменением скорости резания практически не изменяется.

На рис.55 представлена зависимость шероховатости от подачи при точении сталей. На графике на рис 55 видно, что чем больше подача , тем больше степень шероховатости обработанной поверхности. Наибольший рост шероховатости имеет место при подаче 0,6…0,7 лм/о когда кривая устремляется вверх.

При малых подачах большую роль в формировании шероховатости начинают играть дефекты лезвия инструмента. Рис 55. Зависимость шер-ти поверхности от подачи.

Величина шероховатости может быть значительно снижена, если обработку производить не обычными резцами с цельнометаллическими державками, а резцами державки которых имеют полости, заполненные композиционным материалом на полимерной основе, например синтеграном. Этот материал состоит из различных фракций гранита или габбро-диабаза, соединенных эпоксидной или полиэфироной смолой. В поперечном сечении державки могут иметь различную комбинацию металла и композиционного материала, как показано на рис 56 и 57.

Благодаря тому, что синтегран обладает высокими деформирующими способностями , в процессе резания происходит гашение колебаний, возникающих в зоне резания. В результате вершина резца не совершает высокочастотных колебаний, что позволяет ей занять стабильное положение в пространстве. При этом снижается шероховатость обработанной поверхности. Примеры снижения шероховатости при резании на токарном станке на рис 58-61.

Рис58. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от скорости резания. Пунктирная линия – резец со вставкой из синтеграна. Обрабатываемый материал – сталь ШХ-I5, HRC58…62, S=0,08мм/об, t=03мм. Вылет резца 60мм.

Рис59. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от скорости резания. Пунктирная линия-резец со вставкой из синтеграна. Обрабатываемый материал-сталь ШХ-15, HRC58…62, S=0,06мм/об, t=03мм. Вылет резца 60мм.

Рис 60. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от подачи. Пунктирная линия-резец со вставкой из синтеграна. Обрабатываемый материал-сталь ШХ-15, HRC58…62, V=118,8мм/мин, t=03мм. Вылет резца 30мм.

Рис 61. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от подачи. Рис 60. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от подачи. Пунктирная линия-резец со вставкой из синтеграна. Обрабатываемый материал-сталь ШХ-15, HRC58…62, V=118,8мм/мин, t=03мм. Вылет резца 60мм.

На параметр шероховатости большое влияние оказывают радиус закругления при вершине, главный и вспомогательный углы в плане: при их увеличении шероховатость обработки снижается.

Использование при работе инструмента смазывающе-охлаждающей жидкости улучшает условия обработки, при этом качество обработанной поверхности улучшается.

Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин.

Поскольку эксплуатационные свойства деталей зависят во многом от трения и износа подвижных соединений, то наиболее существенным параметром качества поверхности является ее шероховатость. Именно от шероховатости поверхности зависят стабильность посадок деталей, зазоры и натяги в соединениях.

В начале эксплуатации трущиеся поверхности деталей контактируют между собой по вершинам неровностей, и в местах контакта возникают большие давления, превышающие предел прочности. В результате происходит срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, что приводит к интенсивному первоначальному износу и увеличению зазоров трущейся пары. Кроме того, в процессе приработки сопряженных поверхностей возможен разрыв пленки между ними, в результате возникает сухое трение, усугубляющее интенсивность износа. Поэтому после приработки параметр шероховатости будет значительно отличаться от полученного после механической обработки.

Рис 62 и 63. На рис.62 показаны графики зависимости износа сопряженной пары от времени работы. Кривые линии имеют две критические точки и три участка, характеризующие интенсивность износа. На участке I точка А представляет конец приработки. На участке II имеет место нормальный медленно растущий износ. В точке В износ достигает максимально возможной величины, при которой дальнейшая эксплуатация деталей невозможна. В точке В работа должна быть остановлена, а детали необходимо отправить в ремонт или заменить на новые. Если работа изделия будет продолжена, то на участке III износ будет расти катастрофически быстро. Возможен износ выше у поверхностей, которые имеют больший параметр шероховатости. Так, например, поверхность, имеющая форму неровностей с большим шагом(рис 63.2) будет иметь износ больше, чем поверхность, форма которой представлена на (рис.63.1).

Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением ведет к повышению износа за счет возрастания механического зацепления, среза и скалывания неровностей. Если путем механической обработки получить поверхность с минимальной высотой неровностей, то в этом случае величина износа может возрастать и связи с возникновением молекулярного взаимодействия поверхностей, что ведет к выдавливанию между ними смазки, заеданию и сцеплению между собой.

Шероховатость поверхности оказывает большое влияние на стабильность заданных посадок. В процессе эксплуатации происходит износ поверхностей и характер посадки изменяется. Для предотвращения этого при обработке поверхностей ответственных сопряжений необходимо стремиться к достижению минимальной шероховатости. Причем высота шероховатости зависит от требуемой точности проектируемого сопряжения и определяется по следующим формулам:

-при диаметре сопряжения  свыше 50 мм:

R(z)=(0,1…0,15)T

-при диаметре сопряжения от 18до 50 мм:

R(z)=(0,15…0,2)T

-при диаметре сопряжения  менее 18 мм:

R(z)=(0,2…0,25)T, где Т – поле допуска детали, R(z) – высота неровностей.

Конструктор, проектирующий новое изделие, должен  назначить шероховатость трущихся поверхностей, соответствующую ее оптимальному значению, при котором износ и коэффициент трения при эксплуатации будут минимальными.

На повышение износостойкости деталей существенное влияние оказывают остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое металла. Это уменьшает смятие и износ поверхностей при их контакте в процессе работы.

Но положительное влияние наклепа на износостойкость трущихся поверхностей имеет место только в определенных условиях.

Рис 64.

Оптимальный вариант имеет место, когда микротвердость постепенно понижается по мере углубления в деталь(рис 64,а). В этом  случае связь поверхностного упрочненного слоя с основным материалом прочная.

Если степень пластической деформации поверхностного слоя выше определенного значения для данного материала, то в металле начинается процесс его разрыхления(рис.64,в). Поверхностный слой имеет разрушенную кристаллическую решетку и покрыт сеткой мелких трещин.

На (рис.64,б) показан вариант, когда микротвердость постоянна в тонком поверхностном слое, затем резко падает по мере углубления в деталь. В этом случае наклепанный слой имеет слабую связь с основным металлом.

Таким образом, перенаклеп приводит к резкому снижению износостойкости и прочности деталей. Кроме того, на поверхности металла возникают зоны коррозии, снижающие стойкость деталей к агрессивным средам.

На прочностные характеристики металла большое влияние оказывают дефекты кристаллической решетки. С одной стороны, искажения кристаллической решетки ослабляют металл, с другой стороны наоборот , упрочняют, не давая атомам скользить друг относительно друга.

Рис65.

На рис.65 представлена зависимость прочности металла от числа дефектов. При определенной плотности дефектов P(m) металл имеет минимальное сопротивление деформации. Увеличение числа дефектов по сравнению с P(m) ведет к повышению прочности. Все используемые в настоящее время методы упрочнения ( наклеп, легирование, термообработка) соответствует заштрихованному участку правой ветви кривой. Однако использование левой ветви кривой наиболее предпочтительно. В этом случае прочность резко повышается с приближением структуры кристалла к идеальной.

В настоящее время практически идеальная внутренняя структура достигается при изготовлении угольных, борных, стеклянных и других волокон. При изготовлении нитевидных кристаллов металла их прочность приближается к теоретической. Так, например, у нитевидных кристаллов предел прочности равен 1336 кг/мм.кв, когда у обычного железа-только 30 кг/мм.кв, у меди-302 кг/мм.кв и 26 кг/мм.кв, цинка-225 кг/мм.кв и 18 кг/мм.кв соответственно. Все это значительно повысит эксплуатационные свойства деталей машин в ближайшем будущем, когда такие материалы можно будет выпускать в необходимых количествах.