АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Остаточные напряжения, возникающие при точении

Как уже указывалось ранее, для анализа качественной картины явлений, происходящих в зоне резания, могут быть использованы зависимости, найденные для упругонапряженной зоны.

При пластическом деформировании име­ет место смещение атомов с их устойчивого положения, характеризуемого наибольшей плотностью. Кроме того, происходит искажение кристаллической решетки с внутрикристаллитными и кристаллитными нарушениями. В конечном итоге при холодной пластической деформации уменьшаются плотность и удельный вес деформируемого металла, а это в свою очередь ведет к увеличению удель­ного объема. Увеличению удельного объема пластически деформированного слоя препятствуют нижележащие слои. В результате возникают остаточные напряжения: в наружном слое сжимающие, а в нижележащих слоях ра­стягивающие.

Образование остаточных напряжений является след­ствием весьма сложного процесса пластического дефор­мирования и взаимодействия между отдельными части­цами металла, находящимися в условиях неоднородного напряженного поля.

Под действием радиальных сжимающих напряжений размеры частиц металла в направлении к обработанной поверхно­сти сокращаются (рассматривается тонкий слой, где имеют место пластические деформации). Указанное со­кращение, естественно, приводит к уплотнению частиц вдоль обработанной поверхности. Иными словами, обработанная поверхность как бы стремится к увели­чению своей площади. Однако такому расширению препятствуют нижележащие частицы металла. По­этому в поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжимающего знака. В то же время зона си­лового поля с растягивающими радиальными напряже­ниями на формирование остаточных напряжений оказы­вает противоположное влияние.

Растягивающие радиальные напряжения воздейст­вуют на отдельные частицы таким образом, что удли­нение их ориентировано к обработанной поверхности, а укорочение - вдоль. Такая ориентированность остаточных пластических деформаций приводит как бы к сокра­щению обработанной поверхности. Сопротивление недеформированных нижележащих частиц является причи­ной возникновения растягивающих остаточных напря­жений.

В процессе резания силовое напряженное поле пере­мещается вместе с резцом. Поэтому поверхностные ча­стицы обработанного изделия вначале подвергаются действию сжимающего силового поля, а затем растяги­вающего. Остаточные пластические деформации отдель­ных частиц поверхностного слоя, таким образом, явля­ются следствием последовательного деформирования в условиях сжимающего и растягивающего силовых полей.

Из изложенного вытекает, что на формирование ос­таточных напряжений оказывают влияние обе зоны сило­вого напряженного поля. Для получения поверхностей с остаточными напряжениями сжимающего знака необхо­димо, чтобы зона силового напряженного поля с сжима­ющими напряжениями значительно превалировала над зоной силового поля с растягивающими напряжениями и наоборот. Однако сказанное нельзя рассматривать в от­рыве от свойств обрабатываемого материала. Для мате­риалов пластичных растягивающее силовое поле в фор­мировании остаточных напряжений имеет большее зна­чение, чем действие сжимающего силового поля. Поэтому при точении пластичных материалов остаточные напряжения чаще всего имеют растягивающий знак.

При обработке малопластичных материалов пласти­ческое сжатие частиц материалов поверхностного слоя, наоборот, становится решающим фактором, так как та­кие материалы плохо сопротивляются деформациям рас­тяжения. Поэтому при точении этих материалов (на­пример, сплавы титана) остаточные напряжения формируются сжимающего знака. Тем не менее, незави­симо от обрабатываемого материала относительные раз­меры зон силового напряженного поля оказывают влия­ние на интенсивность остаточных напряжений и глубину их проникновения.

На рис.4.17 приведены результаты исследования остаточных тангенциальных напряжений при точении стали 09Х17Н7Ю резцами ВК8 с различными передними углами. Режим резания: v=18 м/мин, t=0,5 мм, s=0,25 мм/об, резание всухую. Как видно из приводимых данных, наблюдается определенная закономерность – с уменьшением переднего угла уровень остаточных напряжений уменьшается. Например, при точении резцом γ=+7º максимальное значение остаточных напряжений составляет , то есть имеет место уменьшение этих напряжений почти в 2,5 раза. одновременно с уменьшением максимальных значений остаточных напряжений вплоть до значений растягивающие остаточные напряжения примерно сохраняются на одном уровне , а глубина их распространения непрерывно увеличивается и для составляет (на рис.4.17 эпюры остаточных напряжений для резцов с не нанесены).

При резании стали 09Х17Н7Ю резцами значительно ухудшается процесс стружкообразования, увеличивается глубина распространения пласти­ческих деформации, повышается температура.

Все эти факторы сказываются на формировании по­верхностного слоя. Поэтому для передних углов (v<-20°) остаточные растягивающие напряжения не уменьшаются, а остаются примерно на одном и том же уровне, в то же время глубина их распространения, как уже указывалось, увеличивается.

Наблюдениями установлено, что при обработке стали 09Х17Н7Ю точением в тон­ком поверхностном слое (около 1-2 мк) формируются остаточные напряжения сжимающего знака.

Рис.4.17. Эпюры остаточных тангенциальных напряжений при точении стали 09Х17Н7Ю (v=18 м/мин, t=0,5 мм, s=0,25 мм/об); ; ; ; ; ; (f=0,1÷0,2 мм)

Указанный слой с сжимающими напряжениями вслед­ствие незначительных размеров не может оказать серьез­ного влияния на служебные свойства деталей.

Аналогичные результаты получены и при обработке стали 09Х17Н7Ю (рис.4.18).

Эпюры оста­точных, напряжений для различных передних углов най­дены при резании с режимом: v=20 м/мин, t=0,5 мм и s=0,25 мм/об резцами ВК8, имевшими радиус закру­гления r=0,5 мм. Резание всухую. Для указанного сплава наименьшее значение для σ_τ получено при ре­зании резцами . Увеличение или уменьшение переднего угла приводит к увеличению максимальных значений остаточных напряжений. Те же характерные особенности в изменениях эпюр остаточных напряже­ний, которые наблюдаются при обработке стали 09ХН17Н7Ю, имеют место и при обработке стали 07Х16Н6.

Рис.4.18. Эпюры остаточных тангенциальных напряжений при точении стали 07Х16Н6 (v=20 м/мин, t=0,5 мм, s=0,25 мм/об); ; ; ; ; ;

Возможность уменьшения максимальных значений остаточных напряжений за счет изменения переднего уг­ла является большим резервом для увеличения устало­стной прочности деталей. Однако уменьшение передних углов имеет и отрицательную сторону - увеличивается глубина проникновения остаточных напряжений, что снижает эффект, получаемый в результате понижения максимальных значений

Интенсивность силового на­пряженного поля в подповерхностном слое зависит в ос­новном от той части равнодействующей силы резания, которая прилагается непосредственно у режущей кромки. Иными словами, интенсивность силового поля напряжений определяется частью передней поверхности резца, расположенной у самой режущей кромки, а глубина распространения этого поля связана с действием всей контактирующей передней поверхности.

Применение отрицательных передних углов приводит к увеличению площади контакта, усадки стружки и т.д., что расширяет зону силового напряженного поля. Из сказанного могут быть сделаны следующие практические выводы.

1. Для того чтобы уменьшить абсолютную величину остаточных напряжений, необходимо применять резцы с отрицательными передними углами.

2. С целью уменьшения глубины проникновения остаточных напряжений отрицательный передний угол затачивается на фаске. Остальная часть передней поверхности должна иметь положительный передний угол.

На рис.4.17, кроме эпюр , для резцов с плоской передней поверхностью, нанесена эпюра остаточных напряжений для резца с фаской. На фаске заточен перед­ний угол , остальная поверхность имеет .
Ширина фаски равна f=0,2 мм. Сопоставление приво­димых эпюр показывает, что применение резцов с двой­ной передней поверхностью дает возможность получить поверхности с уровнем максимальных значений остаточных напряжений, характерным для отрицательных передних углов, а глубину проникновения выдержать на уровне, характерном для положительных резцов. При обработке стали 09ХН17Н7Ю наблюдается такая же картина.

На рис.4.19 приведены эпюры остаточных напряжений для резцов с плоскими передними поверхностями (, ) и эпюры для резцов с фасками.

Как видно из рис.4.19, уровень остаточных напряжений для резцов , и соответственно (f=0,15 мм), (f=0,25 мм) одинаков. Что касается глубины проникновения остаточных напряжений, то для резцов с фасками абсолютные значения примерно в три раза меньше, чем для резцов с плоскими передними поверхностями.

Приведенные данные о влиянии переднего угла на ос­таточные напряжения показывают, что при обработке стали 09ХН17Н7Ю и 07Х16Н6 оптимальным передним углом нужно считать γ= -10°.

Рис.4.19. Влияние формы передней поверхности резца на тангенциальные остаточные напряжения 07Х16Н6 (v=20 м/мин, t=0,5 мм, s=0,25 мм/об); (f=0,25 мм); ; (f=0,15 мм); .

При обработке материалов с иными свойства­ми оптимальное значение переднего угла может не­сколько отличаться. По-видимому, для материалов с меньшей склонностью к наклепу можно применять еще большие отрицательные углы, что должно привести к бо­лее резкому снижению растягивающих остаточных напряжений.

На интенсивность и глубину проникновения остаточ­ных напряжений оказывает влияние не только геометрия инструмента, но и режим резания, острота инструмента и т.д. На рис.4.20 приводятся эпюры остаточных напря­жений в зависимости от скорости, полученные при реза­нии стали 07Х16Н6 резцами ВК8, γ=+7°. Сечение сре­за txs = 0,5x0,25.

Характер эпюр и их взаимное расположение показы­вают, что с увеличением скорости резания максимальные значения остаточных напряжений увеличиваются. На­пример, при скорости v=20 м/мин, σ_τ=+70 Н/мм², а при v=35 м/мин σ_τ=+85 H/мм², то есть при повышении скорости в 1,75 раза напряжения увеличиваются на 20%. Увеличение растягивающих остаточных напряжений при повышении скорости резания связано, с одной стороны, с уменьшением угла трения (коэффициента трения), а с другой, — с возмож­ным влиянием температуры резания. Более значитель­ная разница наблюдается при переходе от v=10 м/мин к v=20 м/мин и более. В этом случае остаточные напряже­ния увеличиваются почти в два раза. Резкое уменьшение максимального значения от для v=10 м/мин связано с наростообразованием.

Рис.4.20. Влияние скорости резания на тангенциальные остаточные напряжения (07Х16Н6; ) 1- v =10 м/мин; 2- v =20 м/мин;

3- v = 20м/мин; 4- v =25 м/мин; 5- v =35 м/мин

Как показывают исследования зоны резания с помощью корней стружек для стали 07Х16Н6, интервал скоростей v=5-15 м/мин характеризуется интенсивным наростообразованием, что приводит к искажению действительного переднего угла. Застойная зона у режущей кромки смещает среднее значение переднего угла в сторону отрицательных величин. Сказанное косвенно подтверждается и тем, что глубина проникновения остаточных напряжений для v=10 м/мин увеличена в сравнении с другими скоростями.

Интересные особенности в формировании остаточных напряжений наблюдаются при резании резцами в зависимости от скорости.

На рис.4.21 нанесены эпюры остаточных напряжений при резании стали 09Х17Н7Ю () резцами . Как следует из этой фигуры, в интервале скоростей м/мин, максимальные значения растягивающих напряжений примерно одинаковые, что касается глубины их проникновения, то наблюдается увеличение с уменьшением скорости резания.

Рис.4.21. Влияние скорости резания на тангенциальные остаточные напряжения (09Х17Н7Ю; ) 1- v =5 м/мин; 2- v =14 м/мин;

3- v = 18 м/мин.

Последнее обстоятельство связано с ухудшением процесса стружкообразования (увеличение усадки стружки). Примечательным является и то, что с уменьшением скорости резания увеличиваются глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений и их абсолютные величины. Так, для v =5 м/мин глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений достигает 7÷8 мкм, а напряжения возрастают до Н/мм². Такой порядок величин сжимающих остаточных напряжений на поверхности с одновременным увеличением глубины проникновения не может не сказаться на улучшении служебных свойств деталей.

При резании резцами с положительными передними углами с уменьшением скорости резания также наблюдается тенденция к увеличению зоны сжимающих напряжений. Однако глубина проникновения в этом случае на превышает 2÷3 мкм.

Весьма значительное влияние на остаточные напряжения оказывает подача. Данные рис.4.22, полученные при резании стали 07Х16Н6 резцами на режиме v =20 м/мин, t=0,5 мм показывают, что увеличение подачи резко изменяет максимальные значения остаточных напряжений.

Рис.4.22. Влияние подачи на тангенциальные остаточные напряжения (07Х16Н6; v = 20 м/мин; s=0,25 мм/об; ) 1-s=0,71 мм/об;

2-s=0,125 мм/об; 3-s=0,25 мм/об; 4-s=0,346 мм/об.

Например, при переходе от подачи s=0,071 мм/об к подаче s=0,346 мм/об тангенциальные остаточные напряжения повышаются с до Н/мм². Уместно заметить, что при подаче s=0,346 мм/об остаточные напряжения имеют приблизительно такой же порядок, что и для стали 07Х16Н6. Поэтому можно ожидать, что в этом случае на поверхности возникнут микротрещины.

Приведенные выше исследования выполнены резцами, износ которых не превышал величины мм. С увеличением износа по задней поверхности максимальные значения остаточных напряжений примерно остаются на одном уровне. Что касается глубины проникновения, то с увеличением износа последняя увеличивается.

Рис.4.23. Влияние износа поверхности резца на тангенциальные остаточные напряжения (07Х16Н6; v = 20 м/мин; ; )

1-w=0,1 мм; 2-w=0,2 мм; 3-w=0,3 мм; 4-w=0,4 мм.

Исследования показывают, что с увеличением износа выше w=0,3 мм (рис.4.23) наблюдается тенденция к росту интенсивности остаточных напряжений. Например, на глубине мкм при износе w=0,3 мм - Н/мм², а при w=0,4 мм - Н/мм², то есть на 70% выше.

Вопрос о влиянии переднего угла на остаточные напряжения при обработке различных материалов изучался рядом авторов. Доказано, что при точении стали 45 на режиме v=150 м/мин; t=0,5 мм; s=0,05 мм/об уменьшение переднего угла ведет к резкому падению растягивающих остаточных напряжений, а при точении стали 18ХНМА резцами (v=150 м/мин; t=0,5 мм; s=0,05 мм/об) остаточные напряжения на поверхности изменяют знак, то есть становятся сжимающими (рис.4.24).

Рис.4.24. Влияние переднего угла на характер распределения остаточных напряжений при точении

При тех же сечениях среза, но с увеличением скоро­сти до v= 750 м/мин, как видно из приводимых данных, для Ст. 45 применение передних углов γ= -30° и γ = - 50° приводит к сжимающим остаточным напря­жениям, а при обработке Ст. 18ХНМА на скорости v = 750 м/мин даже резец γ = - 5° обеспечивает получе­ние сжимающих остаточных напряжений. Этот характер влияния переднего угла на остаточные напряжения авто­ры связывают с подкалочным эффектом. Для Ст. 18ХНМА, легко закаливаемой, температура резания, развивающаяся при v = 150 м/мин., достаточна, чтобы эффект подкалки проявился при резании резцом γ = -30°. Этот уровень температуры недостаточен для такого же эффекта при обработке Ст. 45 (v =150 м/мин и γ = -30°), так как она относится к слабозакаливаемым сталям.

Как видно из рис.4.24, при v = 750 м/мин для Ст. 45 сжи­мающие напряжения возникают с уменьшением передне­го угла до значений γ < -30°, а при обработке резцами с углами γ < -5° развиваются растягивающие напряжения. Для Ст. 18ХНМА при v = 750 м/мин растягивающие на­пряжения наблюдаются только для резца γ = + 15°. Другие значения передних углов приводят к сжимаю­щим напряжениям. Эти результаты получены при весь­ма высокой скорости резания. Температура резания, по-видимому, достигала значений, близких к температуре плавления независимо от применяемого переднего угла. Поэтому наблюдаемый характер изменения эпюр оста­точных напряжений не может быть пояснен только тем­пературным влиянием или структурными преобразова­ниями. При высоких температурах остаточные напряже­ния являются результатом воздействия силового напряжения поля, температуры резания и структурных преоб­разований.

При небольших режимах резания, когда температу­ра невелика, ее роль в формировании остаточных напря­жений незначительна. Если обрабатываемый материал склонен к структурным преобразованиям, то последние будут проявляться только при относительно высоких температурах.

При обработке на больших скоростях закаленных сталей структурные преобразования в поверхностном слое могут быть столь значительны, что возникают сжи­мающие остаточные напряжения даже при работе резца­ми с положительными передними углами.

Приведенные выше опытные данные относятся к тан­генциальным остаточным напряжениям, направление действия которых совпадает с вектором скорости реза­ния. Исследования показывают, что характерные осо­бенности в изменяемости эпюр тангенциальных остаточ­ных напряжений остаются в силе и для осевых напряже­ний, действующих в направлении подачи. При обработке стали 07Х16Н6 на режиме v = 20 м/мин, t = 0,5 мм, s = 0,25 мм/об при переходе от резцов с по­ложительными к резцам с отрицательными передними углами осевые напряжения непрерывно уменьшаются, то есть аналогично изменяемости тангенциальных остаточных напряжений. Указанное уменьшение весьма значительное: если для резца γ = +7º - Н/мм², то для γ = 0 - Н/мм², а для γ = -5º - Н/мм² и γ = -10º - Н/мм². Из этих данных видно, что при переходе от резца γ = + 7° к резцу γ = -10° осевые остаточные напряжения умень­шаются в 3 раза. Как уже указывалось ранее, с уменьше­нием переднего угла глубина проникновения тангенци­альных остаточных напряжений увеличивается. Что касается осевых остаточных напряжений, то при обработке 07Х16Н6 на режиме, указанном выше, резцами с различными передними углами, глуби­на проникновения не зависит от переднего угла и состав­ляет величину порядка Δа = 25 мкм (имеется в виду лишь глубина проникновения растягивающих остаточных на­пряжений).

При обработке малопластичных материалов имеет место обратная кар­тина - знак и интенсивность остаточных напряжений зависят от действия сжимающего силового поля. Ска­занное особо отчетливо проявляется при точении титано­вых сплавов. Так, например, при резании титанового сплава ВТ6 резцами ВК8 на режиме: v = 25 м/мин, t= 0,5 мм, s = 0,25 мм/об независимо, от переднего угла, формируются тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В соответствии с изложенным вы­ше о влиянии переднего угла на формирование остаточ­ных напряжений наблюдается закономерность: с умень­шением переднего угла интенсивность сжимающих на­пряжений увеличивается. Наблюдаемая закономерность связана с увеличением полярного угла θ (зависимость 39) и, следовательно, с усилением роли сжимающего си­лового поля. Для указанного выше режима при точении сплава BT6 переход от угла γ= +7° к углу γ = -10° создает условия, увеличивающие сжимающие остаточные напряжения с Н/мм² до Н/мм². Приводи­мые значения остаточных напряжений являются макси­мальными и действуют на глубине мкм. Непо­средственно на поверхности значение этих напряжений ниже и колеблется около величины Н/мм². Об­щая глубина проникновения тангенциальных остаточных напряжений сжимающего знака при обработке сплава ВТ6 составляет величину порядка мкм.

Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 971 | Нарушение авторских прав