Влияние механической обработки на свойства деталей

Физические процессы, происходящие при механической обработке, вызывают определенные изменения обрабатываемой поверхности. Качество обработанной поверхности и поверхностного слоя металла может быть охарактеризовано геометрическими факторами и физико-механическими свойствами металла. К геометрическим факторам относятся макрогеометрия, волнистость, шероховатость, направление штрихов, к физико-механическим свойствам — твердость, тонкая кристаллическая структура, наклеп, внутренние напряжения.

Параметрами, характеризующими геометрические факторы (макрогеометрию, волнистость и шероховатость), являются высота Н и шаг L неровностей. Принято считать, что отношение шага к высоте волны - для макрогеометрии более 1000, для волнистости равно 51—1000, а для шероховатости (микрогеометрии) составляет 0—50. Волнистость, возникающая из-за неравномерности процесса резания, различных вибраций или неравномерного протекания деформаций на обрабатываемой поверхности, обусловливает величину участков первоначального фактического контакта при работе сопряженных металлических тел. Волнистость тем больше, чем больше высота волны и ее шаг. С увеличением волнистости эксплуатационные свойства сопряженных деталей ухудшаются, так как площадь прилегания поверхностей друг к другу уменьшается, увеличиваются контактные напряжения, снижается герметичность и т. д.

Микрогеометрия (шероховатость) поверхности, образующаяся в результате механической обработки, оказывает большое влияние на износостойкость, выносливость, сопротивление ударным нагрузкам, коррозионную усталость. Механические характеристики прочности и пластичности при простом одноосном растяжении под влиянием микрогеометрии изменяются мало, Для достижения максимальной износостойкости, кроме оптимальной шероховатости, следует стремиться к тому, чтобы микрогеометрия была одинаковой во всех направлениях. На износостойкость также оказывает влияние способ заключительной операции механической обработки. По данным М. М. Хрущова, весовой износ цапф после 2,5 ч работы составлял для суперфинишированной поверхности (R _а = 0,025 мк) 0,06 мг, а для шлифованной (R _а = 0,01 мк) 0,41 мг.

Наиболее сильно микрогеометрия влияет на выносливость стали, особенно при изгибе и кручении. Впадины микронеровностей являются концентраторами напряжений, причем тем больше, чем глубже впадина и меньше ее радиус. Влияние микрогеометрии на прочность особенно сильно проявляется у хрупких малопластичных материалов.

Существует теоретический (расчетный) коэффициент концентрации напряжений а, который зависит от фактора микрогеометрии (где t —глубина надреза, r — радиус на дне надреза). После обычных процессов механической обработки теоретический коэффициент концентрации напряжений составляет 1,5—2,5. Действительное снижение предельных разрушающих напряжений под влиянием шероховатости обычно несколько меньше теоретического. Чем большей пластичностью обладает материал детали, тем меньше сказывается влияние микронеровностей.

От шероховатости зависит также чувствительность деталей к хладноломкости, скорости деформирования, масштабному фактору. Как указывает Г. И. Погодин-Алексеев, степень влияния шероховатости поверхности при этом уменьшается при переходе к высшим классам чистоты. Сопротивление многократной ударной нагрузке при переходе от обработки по 9-му классу чистоты поверхности к обработке по 11-му классу не так велико, как при переходе от 3-го к 9-му классу чистоты поверхности.

Рис. 18. Микроструктура поверхностного слоя стали 12ХМФ после скоростной обработки абразивным кругом. ×400

При механической обработке мягких отожженных сталей в поверхностных объемах происходят процессы деформации, вызывающие изменение структуры поверхностного слоя. Совокупность структурных изменений, связанных с дроблением блоков мозаики, увеличением их разориентировки, появлением микронапряжений, выделением субмикроскопических частиц по плоскостям скольжения, увеличением плотности дислокаций, обусловливает закономерное изменение свойств (упрочнение) деформированного металла и называется наклепом. У закаленных сталей под влиянием тепла, выделяемого в зоне сдвига стружки и на площадке износа, обычно преобладают явления отпуска, в результате чего имеет место разупрочнение поверхностного слоя металла. Однако при больших скоростях обработки, когда выделяемое тепло обеспечивает нагрев металла до температур выше критических, может происходить вторичная закалка поверхностного слоя. В этом случае между вторично закаленным слоем и сердцевиной располагается полоска отпуска с пониженной прочностью, но большей пластичностью.

На рис. 18 показана микроструктура поверхностного слоя отожженной трубы из стали 12ХМФ после скоростной разрезки ее абразивным кругом при интенсивном охлаждении водой. Отчетливо заметна сильная деформация поверхностного слоя в направлении резания, наблюдаются также признаки фазовых превращений, выражающиеся в закалке высокоуглеродистых структурных составляющих (бывших зерен перлита). Такая структура свидетельствует весьма кратковременном нагреве зоны резания до температуры выше критической точки , но ниже критической точки .

По соотношению размёра диагонали отпечатков алмазной пирамиды на структурных составляющих в поверхностном слое и в сердцевине можно сделать вывод о значительном повышении микротвердости отдельных элементов структуры после проведенной обработки. В данном случае структурные изменения обусловлены большой подачей, большим числом оборотов, сильным охлаждением при резании. При очень интенсивных режимах механической обработки средне- и высокоуглеродистых сталей, сопровождаемой действием импульсивных температур и высоких удельных давлений, в зоне действия инструмента могут протекать особые фазовые превращения, приводящие к образованию сплошной полоски или отдельных участков так называемого «белого слоя». Белый слой в этом случае представляет собой мартенсит с различным количеством остаточного аустенита, имеет весьма дисперсное строение и отличается высокой микротвердостью (до 800 кГ/мм ²). Особенно часто белый слой образуется при скоростном шлифовании. По степени влияния, которое оказывают различные режимы резания на упрочнение отожженной или нормализованной стали, они располагаются в следующем порядке: силовое резание, скоростное резание, резание с обычными скоростями и подачами. При этом равномерность наклепа по сечению детали у нормализованной стали невелика. Большая равномерность упрочнения достигается при точении стали со структурой сорбита или троостита (т. е. стали после закалки и отпуска). Кроме того, при обработке нормализованных сталей выступы микронеровностей наклепываются сильнее, чем впадины.

Глубина наклепанного слоя после механической обработки обычно составляет несколько десятых долей миллиметра. При черновом точении или торцовом черновом фрезеровании глубина наклепанного слоя 0,2—0,5 мм, при чистовом точении, фрезеровании, шевинговании 0,05—0,1 мм, при сверлении, зенкеровании, развертывании 0,15— 0,2 мм. При шлифовании обычных сталей глубина наклепанного слоя не превышает 25—30 мк. Существует целый ряд процессов обработки (накатка, дробеструйная обработка), которые специально предусматривают наклеп поверхностного слоя на большую глубину (до нескольких миллиметров).

Наклеп обработанного поверхностного слоя вызывает изменение его тонкой кристаллической структуры, твердости и остаточных напряжений. Причинами возникновения последних могут быть неравномерная пластическая деформация при механической обработке, неравномерный нагрев и охлаждение поверхностного слоя. Помимо величины, знака и эпюры остаточных напряжений, на несущую способность деталей оказывает существенное влияние характер нагружения, пластичность материала, наличие коррозионной среды и т. д. действие остаточных напряжений следует рассматривать совместно с наклепом, причем их роль особенно усиливается при грубой механической обработке. Главными факторами, влияющими на выносливость стальных деталей, имеющих поверхностный наклеп и остаточные напряжения, являются интенсивность и глубина наклепа, структура и состав наклепанного слоя, сочетание прочности наклепанного слоя и сердцевины.