Влияние методов и режимов обработки на параметры качества поверхности
Технологические методы обработки заготовок влияют на качество поверхностных слоев и, следовательно, формируют качество всей машины.
Параметры качества поверхности регламентированы конструктором, исходя из служебного назначения и условий эксплуатации деталей. Для обеспечения качества поверхности технолог, используясправочные материалы и свой опыт, назначает этапы и методы обработки заготовок.
Характер расположения микронеровностей (микрорельеф) зависит от методов обработки. Параллельный и перпендикулярныймикрорельефы (рис.2.10,а,б) образуются при строгании, точении, сверлении, протягивании, круглом шлифовании, цилиндрическом фрезеровании и др. Перекрещивающийся микрорельеф (рис.2.10,в) образуется при фрезеровании концевой фрезой, хонинговании, суперфинишировании, виброобкатывании. Произвольный микрорельеф (рис.2.10,г) с точечным расположением микронеровностей и равновероятным распределением выступов и впадин образуется при ненаправленныхспособах обработки – при дробеструйной обработке, при плоскомшлифовании торцом круга на станках с вращающимся столом, шабрении, механической доводке, электроискровой обработке, электрополировании и др.
Кругообразный микрорельеф (рис.2.10,д) образуется при подрезке и шлифовании торцов цилиндрических деталей. Радиальный микрорельеф (рис.2.10,е) получается при фрезеровании торцевой фрезой на вертикально-фрезерном станке с вращающимся столом.
Шероховатость поверхностей заготовок зависит от метода их получения. Так высота неровностей горячекатаного проката не превышает 150 мкм, а холоднотянутого – 50 мкм. Заготовки, полученные свободной ковкой, в зависимости от их габаритов имеют неровности высотой 1,5…4 мм. У горячештампованных заготовок высота неровностей составляет 150…500 мкм.
Шероховатость отливок находится в пределах от 1000 мкм (при отливке в песчаные формы), до 10 мкм (при литье под давлением).
При обработке заготовок резанием на шероховатость обработанной поверхности влияет несколько факторов. Прежде всего она зависит от метода обработки. Каждому методу обработки свойствен определенный диапазон высоты микронеровностей, форма и схема расположения следов от режущего инструмента на обрабатываемой поверхности, определяемые кинематикой движения инструмента относительно заготовки.
На шероховатость также значительно влияют режимы резания.
На рис.2.13 показаны зависимости шероховатости от скорости резания (рис.2.13,а) и подачи (рис.2.13,б) [17]. При обработке вязких материалов, в условиях образования нароста, наибольшее значение RZнаблюдается при скоростях резания15…30 м/мин. С увеличениемскорости резания эффект образования нароста снижается и шероховатость уменьшается.
Подача (рис.2.13,б) влияет на шероховатость в зависимости от используемого режущего инструмента и условий обработки. При точении резцами, с углом в плане 45° и малым радиусом закругления при вершине резца (до 2 мм), подача существенно влияет на шероховатость (кривая 1). Если точение производится резцами с широкой режущей кромкой, установленной параллельно оси изделия, изменение подачи не отражается на шероховатости (кривая 2). При сверлении, зенкеровании, торцевом и цилиндрическом фрезеровании изменение подачи слабо влияет на шероховатость (кривая 3).
Рис.2.13. Зависимость шероховатости от скорости резания (а) и подачи (б).
Глубина резания не оказывает заметного влияния на шероховатость поверхности, если жесткость технологической системы достаточно велика.
При шлифовании шероховатость снижается с увеличением окружной скорости шлифовального круга и с уменьшением скорости вращения обрабатываемой заготовки, размера зерна круга и глубины шлифования. Шлифование с выхаживанием снижает шероховатость поверхности.
Геометрические параметры режущего инструмента, равно как и его состояние, оказывают различное влияние на шероховатость. При изменении в обычных пределах переднего и заднего углов параметры шероховатости изменяются незначительно. С уменьшением угла впланеφ и вспомогательногоугла в планеφ1 шероховатость заметно уменьшается. С уменьшением радиуса скругления вершины резца шероховатость возрастает.
На шероховатость поверхности влияет жесткость технологической системы. Различная жесткость в сечениях заготовки, обусловленная условиями ее закрепления, вызывает появление неодинаковой шероховатости обработанной поверхности.
На шероховатость поверхности влияют механические свойства, химический состав и структура материала заготовок. При обработке заготовок из мягкой низкоуглеродистой стали получается более шероховатая поверхность, чем при обработке заготовок из твердой стали с большим содержанием углерода. Заготовки из сталей с мелкозернистой структурой обрабатываются лучше заготовок из сталей с крупнозернистой структурой.
Правильный выбор смазочно-охлаждающей жидкости уменьшает шероховатость обработанной поверхности на 20…30% по сравнению с обработкой без охлаждения.
Зная влияние технологических факторов на шероховатость поверхности, можно назначить условия обработки, обеспечивающие достижение заданной шероховатости поверхности.
Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей изменяются под влиянием комплексного действия силовых и тепловых факторов в процессе обработки. При обработке лезвийными инструментами превалирующее влияние оказывают силовые факторы.
Результатом силового действия при пластической деформации является разрушение структуры, смещение кристаллов и наклеп поверхностного слоя, характеризуемый повышением микротвердости и снижением вязкости. В поверхностном слое возникают остаточные напряжения, которые в зависимости от режима обработки могут быть сжимающими или растягивающими.
При чистовой и черновой обработке стальных заготовок деформация распространяется на глубину от 50 до 300 мкм, а при обдирке до 1000 мкм. При шлифовании состояние поверхностного слоя определяется в основном тепловыми явлениями и в меньшей степени силовыми.
В поверхностном слое при шлифовании происходят структурные преобразования, образуются зоны закалки или отпуска, возникают остаточные напряжения. Глубина поверхностных слоев с резко выраженными изменениями при черновом шлифовании составляет 10…30 мкм, а при чистовом и тонком шлифовании 5 мкм. Остаточные напряжения распространяются на глубину 50…150 мкм; их величина может быть равной пределу текучести материала заготовки.
В поверхностном слое при шлифовании возникают остаточные напряжения растяжения. Уменьшение остаточных напряжений в поверхностном слое достигается путем увеличения скорости вращения заготовки, уменьшением глубины резания, применением более мягких кругов и обильного охлаждения. Применяя шлифование с выхаживанием, можно уменьшить напряжения растяжения и увеличить напряжения сжатия.
Снять остаточные напряжения после предварительного шлифования заготовки можно высоким отпуском, а после ее окончательного шлифования – обкатыванием роликом, алмазным выглаживанием, обычным и виброконтактным полированием. После обработки этими методами на поверхности заготовки образуются напряжения сжатия.
Кроме остаточных напряжений в поверхностном слое шлифованной детали образуется наклеп. Он возникает в результате больших градиентов температур и больших деформаций, приводящих поверхностные слои к упрочнению.
При точении величина, знак, глубина залегания и характер остаточных напряжений определяются также тепловым воздействием на материал заготовки в процессе резания. В мягких сталях при низкой скорости резания возникают остаточные напряжения сжатия, а при высокой скорости резания – остаточные напряжения растяжения.
Увеличение подачи вызывает рост пластической деформации поверхностного слоя, что при обработке пластических материалов способствует развитию остаточных напряжений растяжения. В поверхностных слоях заготовок из малопластичных материалов при увеличении подачи могут возникать остаточные напряжения сжатия.
Износ и притупление инструмента приводит к повышенному трению его задней поверхности об обработанную поверхность; это способствует формированию остаточных напряженийрастяжения при относительно большой глубине их распространения.