Наклеп и остаточные напряжения при обработке резанием

Рис. 4.1. Зона пластической деформации при резании

Как отмечалось ранее, зона пластической деформации распространяется при любых режимах резания ниже линии среза (рис. 4.21). В силу этого материал в поверхностном слое оказывается упрочненным или наклепанным, что можно обнаружить, например, измерением микротвердости в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. Степень наклепа (К) принято характеризовать отношением приращения твердости в поверхностном слое к твердости недеформированного материала:

,

где HV и HV_исх - твердость соответственно деформированного и недеформированного материала.

Глубина и степень наклепа существенно зависят от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента и режимов резания, применяемой СОЖ. С увеличением упрочняемости материала, толщины среза и с уменьшением переднего угла инструмента, угла в плане и скорости резания глубина и степень наклепа увеличиваются.

Прежде чем проанализировать влияние остаточных напряжений (ОН) на точность, определим, пользуясь примером, приведенным Л.И. Седовым[2], систему с остаточными (внутренними) напряжениями.

а б Рис. 4.2. Схема образования остаточных напряжений: а – деформируемая модель; б – кривые деформации различных материалов

Пусть конструкция состоит из трех стержней одинакового диаметра d, концы которых скреплены так, как показано на рис. 4.22а, абсолютно жесткой плитой АВ.

Крайние стержни 1, 3 - стальные, а средний стержень 2, расположенный симметрично относительно стальных, - алюминиевый. Примем, что до приложения внешней нагрузки все три стержня находились в ненапряженном состоянии; влиянием сил веса стержней пренебрегаем.

Если пластину АВ равномерно нагрузить, то вследствие симметрии длины всех стержней будут одинаковыми.

Предел упругости s_ст и модуль Юнга Е_ст для стали, как известно, больше чем предел упругости s_Al и модуль Юнга Е_Al для алюминия. Для простоты пренебрегаем эффектом упрочнения и будем рассматривать сталь и алюминий как идеально-пластичные материалы (рис. 4.22б).

Допустим, что суммарная нагрузка выбрана так, что она вызвала деформацию всех стержней на величину e (рис. 4.22б); при этом, как видно из диаграмм s - e, стальные стержни оказались деформированными пластически, алюминиевый же стержень еще работает в упругой области. После снятия нагрузки стальные стержни “пожелают” восстановиться - сжаться - на величину e - e_ст, алюминиевый - на e, т. е. на различную величину.

Так как стержни связаны жесткой плитой АВ, независимое восстановление им не удастся: в стальных стержнях возникнут напряжения сжатия, а алюминиевый стержень окажется упругорастянутым, т.е. описание конструкции представляет собой пример системы, на которую не действуют внешние силы, но внутри которой имеются остаточные напряжения. Уничтожить эти напряжения без деформации либо разрушения конструкции невозможно.

Для объяснения механизма возникновения остаточных напряжений в поверхностном слое обычно выделяют способствующие ему факторы.

На возникновение ОН оказывают совокупное влияние силовой фактор и температурный. При лезвийной обработке преобладающим оказывается силовой фактор, при шлифовании - температурный.

Механизм формирования ОН под действием силового фактора можно представить следующим образом. Пусть нижняя граница пластической области имеет форму, показанную на рис. 4.23 (линия 3-2), а диаграмма деформирования “напряжение s - деформация e“ - имеет вид, представленный на рис. 4.23б.

a б Рис. 4.3. Схема механизма формирования остаточных напряжений: а – границы пластической области; б – диаграмма деформирования

Можно полагать, что в направлении резания все частицы металла в зоне пластических деформаций, расположенные ниже линии среза, подвергаются сжатию. Причем слои, расположенные ближе к поверхности (в частности, точка 2), испытывают большую деформацию, чем нижележащие слои (точка 1). По диаграмме (рис. 4.23б) видно, что после снятия нагрузки в точках 1 и 2, если бы они не были связаны, произошла бы упругая разгрузка (растяжение) на величины соответственно De₁ и De₂. Так как De₂ > De₁, металл в точке 2 будет стремиться растянуться на большую величину, чему будет препятствовать слой металла на уровне точки I (см. аналогичную модель на рис. 4.23а). Следовательно, слои вблизи точки 2, будут растягивать слои, расположенные ниже (в точке I) и создавать в них растягивающие ОН (+). Последние же, препятствуя “желаемому” растяжению металла в точке 2 будут создавать в верхних слоях сжимающие ОН (-).

Механизм формирования ОН при действии температурного фактора описывают следующим образом.

Высокая температура в поверхностном слое может способствовать структурным превращениям и за счет снижения предела текучести материала привести к термопластическим деформациям.

Так, при обработке высокоуглеродистых сталей и сплавов в результате неоднородного нагрева поверхности может происходить образование слоев разной структуры и соответствующие им объемные изменения и ОН. Например, распад мартенсита и образование троостита в поверхностном слое вызывает остаточные растягивающие напряжения, т.к. троостит имеет меньший удельный объем, чем мартенсит (поверхностный слой стремится сократиться в объеме, чему препятствуют нижележащие слои).

При обработке резанием, как будет показано ниже, в поверхностном слое создаются условия для образования остаточных напряжений, влияние которых на точность может проявиться одним из следующих способов:

1. Наведенные в процессе обработки резанием технологические ОН вызывают коробление детали после снятия ее с приспособления, либо деталь коробится от ОН в процессе обработки. Это в первую очередь относится к маложестким крупногабаритным деталям.

2. При снятии припуска происходит перераспределение имеющихся в заготовке ОН (литейных, термических либо оставшихся от каких-либо предшествующих операций) и обусловленное этим коробление детали.

Рис. 4.4. Усадка слоев при литье

3. Наведенные при обработке ОН в процессе эксплуатации детали или выполнения последующих операций, например, закалки, могут релаксировать от действия нагрузок, вибраций и температуры, что так же, как и в предыдущих случаях, может привести к потере точности детали.

Проанализируем механизм возникновения технологических ОН в заготовках деталей машин, полученных литьем, сваркой.

При затвердевании отливок (рис.4.24) внешние, более остывшие слои затрудняют усадку внутренних, более горячих слоев. В результате внутренние слои, находящиеся в пластическом состоянии, будут пластически растянуты, а наружные слои упруго сжаты. Вследствие этого возможно коробление отливки.

Если величина напряжений превысит предел прочности материала, то происходит разрушение и появляются трещины.

Рис. 4.5. Образование остаточных напряжений при сварке

Аналогичные эффекты проявляются при изготовлении сварных конструкций.

Для примера рассмотрим рамную конструкцию, представленную на рис. 4.25.

ОН возникают вследствие локальной пластической деформации отдельных зон сварного шва из-за неравномерного нагрева при сварке. Металл, претерпевший пластическую деформацию при нагреве после полного охлаждения получает остаточное укорочение тем большее, чем больше объем (длина) наплавленного металла. Верхние слои свариваемых деталей 1 и 2 стремятся сократиться на Dl₁, нижние - на Dl₂ (l₁ >l₂).

Если полагать, что каркас ABCD и сами детали 1 и 2 имеют очень высокую жесткость, конструкция не деформируется, но в верхних слоях возникают растягивающие ОН, в нижних - сжимающие. Если устранить связи деталей 1 и 2 с каркасом ABCD, конструкция (лист) деформируется (пунктирные линии на рис. 4.25).