Возникновение остаточных напряжений при резании

Механизм образования остаточных напряжений при резании также обусловливается двумя факторами: силовым и тепловым воздействием инструмента на поверхностный слой детали.

Образование напряжений в зоне резания за счёт силового воздействия инструмента. Под действием инструмента в тонком поверхностном слое металл претерпевает пластическое растяжение. Нижние слои, увлекаясь за верхними, претерпевают упругое растяжение (рис. 132).

После снятия силового воздействия упругие деформации внутренних слоёв стараются возвратить наружные слои в исходное положение. Но так как верхние слои пластически деформированы и препятствуют действию внутренних слоёв, то в верхних слоях появляются остаточные напряжения сжатия, а во внутренних остаются напряжения растяжения (рис. 133).

Рис. 132. Образование напряжений в зоне резания в момент приложения силового воздействия инструмента	Рис. 133. Образование напряжений в зоне резания после снятия силового воздействия инструмента

Образование напряжений за счёт теплового воздействия при резании. Рассмотрим, что произойдет, если мы будем нагревать простой брусок (рис. 134). Он удлинится на величину ΔL. После охлаждения брусок укоротится на эту же величину ΔL.

Теперь нагреем брусок, но поместим около него ограничитель на расстоянии меньшем, чем ΔL (рис. 135).

В результате нагрева брус удлинится на величину, а дальше произойдет пластическая деформация бруска на величину. После охлаждения брус укоротится на величину(рис. 136).

Рис. 134. Деформация при нагреве бруска	Рис. 135. Деформация бруска с установленным ограничителем	Рис. 136. Деформация бруска после охлаждения

При резании в области контакта инструмента и обрабатываемой поверхности выделяется большое количество тепла, под действием которого модуль упругости металла поверхностного слоя сильно снижается. Под действием этого тепла наружные слои нагреваются сильнее, чем внутренние. При этом наружные слои стремятся удлиниться, а внутренние им препятствуют. При сильном нагреве под действием внутренних слоёв наружные слои могут оказаться пластически сжатыми, аналогично расширению бруска при наличии ограничителя расширения. При охлаждении поверхностные слои стремятся укоротится на величину расширения плюс величину пластических деформаций. Этому действию будут препятствовать внутренние слои, поэтому во внутренних слоях возникают напряжения сжатия, а в наружных – напряжения растяжения.

В процессе резания имеют место обычно оба фактора. Чаще ответственным за образование остаточных напряжений является тепловой фактор. При точение стали средней твёрдости в большинстве случаев обнаруживаются внутренние напряжения растяжения, что свидетельствует о том, что они являются температурными.

Влияние скорости резания на остаточные напряжения проявляется в зависимости от соотношения теплового и силового воздействия. С увеличением скорости резания возрастает температура и уменьшается силовое воздействие, поэтому увеличиваются остаточные напряжения растяжения.

С увеличением подачи при обработке пластичных материалов наблюдается рост остаточных напряжений растяжения. При обработке малопластичных материалов наблюдается рост остаточных напряжений сжатия и глубины их проникновения.

Переход передних углов от положительных к отрицательным и увеличение радиуса режущей кромки приводят к снижению растягивающих и возникновению сжимающих остаточных напряжений.

Обработка затупленным инструментом пластичных материалов ведет к образованию остаточных напряжений растяжения; при обработке малопластичных материалов увеличиваются сжимающие напряжения.

Изменение режимов обработки или геометрических параметров, связанных с увеличением силового фактора, приводит к возникновению в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия.

Изменение режимов обработки или геометрических параметров, связанных с увеличением теплового фактора, приводит к возникновению в поверхностных слоях остаточных напряжений растяжения. Окончательное состояние поверхностного слоя зависит от преобладающего действия того или иного фактора.

Предположим, для некоторого реального процесса известны кривые изменения температурного (рис. 137, а) и силового (рис. 137, б) факторов при изменении некоторого параметра х. Рассмотрим, какими значениями факторов характеризуется процесс при определенных значениях параметра и. Так для параметрапроцесс характеризуется преобладанием теплового фактора, а, значит, остаточные напряжения при этом будут растягивающими (рис. 137,а и рис. 138). Для параметра процесс характеризуется преобладанием силового фактора, а значит остаточные напряжения при этом будут сжимающими (рис. 137 и рис. 138).

На графике (рис. 138) величины остаточных напряжений откладываются приближенно, через которые проводится линия. Эта линия показывает изменение остаточных напряжений в зависимости от изменения рассматриваемого параметра х. Как видно из графика, линия проходит через нулевое положение, характеризуемое отсутствием остаточных напряжений. Поэтому значение параметра, соответствующее этому моменту, можно считать оптимальным .

а) б)

Рис. 137. Изменение: а – температурного фактора от параметра х;

б – изменение силового фактора от параметра х

Рис. 138. Изменение остаточных напряжений от параметра х