14.7. Точность и качество поверхности при обработке

Точность обработки детали характеризуется точностью размеров, формы и взаимного расположения поверхностей. Качество обработки поверхности определяется ее шероховатостью, величиной наклепа и остаточных напряжений в поверхностном слое. Степень шероховатости обработанной поверхности определяется схемой процесса резания, т. е. схемой взаимодействия детали и инструмента, геометрией инструмента и режимами обработки. Физическое состояние поверхностного слоя (степень наклепа, остаточные напряжения) зависит от геометрии инструмента, режимов и условий резания.

Точность при обработке резанием. Точность деталей зависит от технических характеристик станка, качества технологической оснастки и режущего инструмента, квалификации оператора, качества смазочно-охлождающей жидкости (СОЖ), рациональности режимов резания, состояния заготовок. Наибольшее влияние на точность обработки оказывают силы резания, которые вызывают упругую деформации системы СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь) и тем самым создают погрешности обработки. Величина погрешностей возрастает пропорционально силам резания.

Шероховатость поверхности при обработке. На формирование микронеровностей на обработанной поверхности влияют разные факторы. К геометрическим относят: параметры инструмента (см. рис. 14.3 и рис. 14.5) углы в плане  и ₁, радиус при вершине  и шероховатость режущих кромок, величину подачи S. Это установочные параметры, необходимые для теоретического расчета высоты микронеровностей R_z.

Наибольшее отклонение фактической высоты микронеровностей от расчетной (геометрической) связано с явлением наростообразования при резании. При отсутствии нароста приращение R_z определяется физическими факторами: пластическим течением металла в направлении вершины микронеровности (пропорционально степени пластической деформации металла в зоне стружкообразования); упругим восстановлением поверхностного слоя; трением между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания.

Для снижения высоты микронеровностей необходимо: уменьшать углы резца  и ₁, подачу S; увеличивать радиус при вершине  и снижать физические факторы. Для этого следует работать на режимах, исключающих образование нароста, снижать степень деформации металла при резании, увеличивать до возможных значений передний угол инструмента, обрабатывать материал в более твердом состоянии, применять эффективные смазки и подбирать материал режущей части инструмента, обладающий пониженной адгезионной активностью по отношению к обрабатываемому материалу.

Наклеп и остаточные напряжения при обработке резанием. Зона пластической деформации распространяется при любых режимах резания ниже линии среза (см. рис. 14.5). Материал в поверхностном слое оказывается наклепанным (упрочненным). Глубина и степень наклепа зависят от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания и применяемой СОЖ.

При движении инструмента по обработанной поверхности возникает пластическое растяжение поверхностных слоев в направлении линии среза. Слои, лежащие ниже, растягиваются только упруго и после прохода инструмента стремятся возвратиться в исходное состояние – сжаться. Под действием этих сил в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия.

Под действием теплоты, выделяющейся в зоне резания, верхние слои нагреваются и растягиваются, нижние холодные слои оказывают сопротивление этому процессу, что создает дополнительные остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое.

Результирующая эпюра напряжений зависит от интенсивности действия механического и теплового факторов. Например, интенсивный нагрев может уменьшить напряжения сжатия, возникшие от механического воздействия. При шлифовании стальных деталей поверхностный слой нагревается до высоких температур, происходят структурные преобразования. Превращения, связанные с увеличением объема структурных составляющих, могут вызвать появление остаточных напряжении сжатия, при уменьшении объема – остаточных напряжений растяжения.

С увеличением скорости резания или уменьшением угла резания остаточные напряжения уменьшаются и могут изменить свой знак. Увеличение подачи, глубины резания и износ инструмента приводят к увеличению остаточных напряжений. Сжимающие остаточные напряжения повышают износостойкость деталей машин, усталостную прочность и их коррозионную устойчивость. Растягивающие остаточные напряжения приводят к снижению циклической прочности и появлению микротрещин на поверхности деталей.

Остаточные напряжения первого вида уравновешиваются между большими объемами деформируемого тела. Они вызывают коробление и изменения формы изделия.

Остаточные напряжения второго вида уравновешиваются в объеме нескольких зерен. Они приводят к трещинообразованию.

Остаточные напряжения третьего вида уравновешиваются внутри каждого зерна. Они связаны с изменением расположения атомов в кристаллической решетке.