С точки зрения кинематики процесса резания шлифование в известной мере подобно фрезерованию, и поэтому закономерности в образовании остаточных напряжений при фрезеровании могут быть частично перенесены на процесс шлифования. При шлифовании можно создать такие условия, при которых под обработанной поверхностью возникнет зона с сжимающими напряжениями.
Однако при шлифовании возникновение остаточных напряжений того или иного знака зависит не только от кинематики резания, геометрии зерна, но и от температуры. Температуры резания отдельными абразивными зернами достигают величины t=1500°C и более. При этом нужно отметить одну специфическую особенность процесса шлифования. При шлифовании скорость нагрева поверхностных слоев металла может достигать сотен тысяч градусов. Скорость нагрева зависит от режима шлифования и в значительной степени от теплофизических свойств металла. Для жаропрочных материалов, обладающих весьма небольшими коэффициентами теплопроводности, скорость нагрева значительно выше, чем для углеродистых сталей.
Скорости охлаждения при шлифовании также велики - порядка нескольких тысяч градусов в секунду.
Скорость охлаждения зависит от теплофизических констант шлифуемого металла, массы детали и от охлаждающих свойств применяемых жидкостей. Высокие температуры нагрева тонких поверхностных слоев при шлифовании являются одной из причин возникновения остаточных напряжений.
В процессе шлифования, для которого характерны высокие поверхностные температуры, остаточные напряжения «наводятся вследствие, по крайней мере, двух причин: напряженного поля, возникающего в результате сил резания, и температурного ноля в поверхностном слое. Величина и знак остаточных напряжений будут зависеть от знака и интенсивности составляющих напряжении. Для жаропрочных материалов, характеризуемых малой теплопроводностью, температурные остаточные напряжения имеют большую интенсивность и являются определяющими. Поэтому для жаропрочных материалов остаточные напряжения имеют знак растяжения. Остаточные напряжения, вызываемые силами резания, в этом случае могут только увеличивать или уменьшать величину растягивающих остаточных напряжений. Изложенное подтверждается на опытах.
На рис.4.28 приводятся эпюры остаточных напряжений. Кривые 1 и 2 получены при плоском шлифовании периферией камня жаропрочного сплава 09Х17Н7Ю. Применение специального приспособления на плоскошлифовальном станке с магнитным столом позволяло осуществлять процесс как по схеме попутного шлифования (эпюра 1), так и по схеме встречного шлифования (эпюра 2).
Шлифование производилось кругом ЭБ46СМ2К, dk = 300 мм, vk = 30 м/сек; охлаждение - содовая вода. С каждого образца снимался слой металла, равный Δ=0,1 мм при поперечной подаче sп=0,025 мм и продольной подаче sпp =2-3 мм/дв. ход (sпp =0,1В).
Кривые 3 и 4 построены на основании исследования остаточных напряжений на круглых образцах из сплава 09Х17Н7Ю. Режим шлифования: vk =30 м/сек; vизд = 20 м/мин, sп=0,01 мм/об, sпp =2-3 мм/об. Охлаждение - эмульсия. Снимался слой металла, равный Δ=0,1 мм. Эпюра 4 получена при попутном шлифовании, а эпюра 3 при встречном шлифовании. Как видно из приводимых эпюр, при попутном шлифовании остаточные напряжения меньше, чем при встречном. Эта разница тем значительнее, чем больше поперечная подача. Данные показывают, что для уменьшения величины остаточных растягивающих напряжений при шлифовании следует использовать положительный эффект попутного шлифования. Сказанное остается в силе и для лентошлифовальных станков.
Для уменьшения результирующих остаточных напряжений при шлифовании (растягивающего знака) нужно стремиться к уменьшению температуры резания. В этом отношении весьма эффективным методом является охлаждение жидкостями, распылом, туманом. Однако для этих целей полезны и другие методы. В частности, необходимо стремиться к тому, чтобы путь абразивного зерна в контакте с обрабатываемым материалом был по возможности короче, что может быть обеспечено применением шлифующих камней малого диаметра.
В условиях больших температур и высоких скоростей нагрева и охлаждения возможно появление остаточных напряжений в результате структурных превращений в поверхностном слое. Появление того или иного знака остаточных напряжений связывают с удельным весом вновь образовавшейся фазы. Ими выведена формула для напряжений на поверхности детали следующего вида:
,
где Е — модуль упругости;
- удельный вес структуры исходного материала;
- удельный вес новой структуры в поверхностном слое.
Из приводимой формулы следует, что если вновь образовавшаяся фаза имеет меньший удельный вес, а следовательно, больший удельный объем, то
,
и на поверхности возникнут остаточные напряжения сжатия, при - остаточные напряжения растяжения.
Данные удельных весов различных структур в таблице.
Таблица.
Удельный вес различных структур
Структура
Перлит……………
7,80
Тростит …………..
7,83-7,808
Мартенсит ……….
7,76
Аустенит………….
8,15
Феррит……………
7,90
Цементит…………
7,70
При шлифовании закаленной стали с мартенситовой структурой в поверхностном слое в результате воздействия высокой температуры возникает структура мартенсита — аустенита или мартенсита - тростита. Как следует из табл., в этом случае , поэтому на поверхности возникают остаточные напряжения растягивающего знака. Если исходная структура представляет собой мартенсит - аустенит или мартенсит - тростит и фазовые преобразования приводят к повышенному содержанию мартенсита (), тo в поверхностном слое детали возникнут остаточные напряжения сжатия.
При шлифовании отожженной стали перлитно-ферритного класса диффузионное превращение перлита в аустенит маловероятно, и поэтому появления структурных остаточных напряжений не наблюдается.
Для увеличения сжимающих остаточных напряжений при шлифовании закаленной стали перлитно-ферритного класса необходимо:
а) уменьшать температуру резания (шлифования);
б) увеличивать процент тетрагонального мартенсита во вторично закаленном слое путем более сильного охлаждения.
4.9. Выбор варианта технологического процесса и межоперационных припусков с учетом остаточных напряжений
В последние годы благодаря значительным научным и техническим успехам строятся машины высоких мощностей. В таких агрегатах целый ряд деталей работает в условиях больших знакопеременных нагрузок. Эти детали вследствие усталостных разрушений, как правило, и определяют ресурс агрегата. Поэтому к ним при изготовлении предъявляются повышенные требования как в отношении качества поверхностного слоя, так и точности формы.
Для деталей сложной конфигурации с малой жесткостью технологический процесс изготовления отличается значительной трудоемкостью. Причем трудоемкость резко возрастает в тех случаях, когда требуется выдержать относительно жесткие допуски по профилю.
В известной мере увеличение трудоемкости связано с возникновением остаточных напряжений и их участием в искажении формы деталей при механической обработке.
При разработке технологического процесса изготовления деталей возможное влияние остаточных напряжений не учитывается. Однако практика показывает, что вопрос о влиянии остаточных напряжений на технологический процесс изготовления маложестких изделий сложной конфигурации является актуальным и требует всестороннего изучения.
В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим пример обработки лопатки газовой турбины. Иногда технологический процесс обработки пера лопатки строят по следующей схеме:
1. Черновое фрезерование корыта.
2. Черновое обтачивание спинки.
3. Получистовое фрезерование корыта.
4. Получистовое обтачивание спинки.
5. Чистовое фрезерование корыта.
6. Чистовое точение спинки.
7. Шлифование спинки абразивным кругом.
8. Шлифование корыта широкой лентой.
9. Чистовое шлифование спинки на лентошлифовальных станках.
10. Чистовое шлифование корыта на лентошлифовальных станках.
Здесь приведены лишь основные операции. Направление обработки принимается перпендикулярным к осп лопатки. В этом направлении в процессе резания развиваются тангенциальные остаточные напряжения, а вдоль пера — осевые остаточные напряжения. Очевидно, на служебные свойства лопатки решающее значение будут оказывать осевые остаточные напряжения, которые по направлению совпадают с развивающимися рабочими напряжениями. Что касается тангенциальных остаточных напряжений, то их проявление будет отражаться на технологии изготовления.
После чернового фрезерования корыта по попутной схеме на поверхности возникают сжимающие тангенциальные остаточные напряжения; на спинке же после точения - растягивающие. В дальнейшем после получистового и чистового фрезерования, а также получистового и чистового точения поверхностей корыта и спинки тангенциальные остаточные напряжения сохраняют свои знаки и остаются примерно такой же интенсивности, как и после черновых операций. Возникшие в результате резания тангенциальные остаточные напряжения приведут к некоторому искажению формы. ориентировочную оценку искажения формы можно получить, если рассмотреть деформацию отдельного элемента переда лопатки. С этой целью вырежем полоску шириной (b) перпендикулярно оси лопатки (рис.4.29) и определим изменение стрелки h под действием возникших остаточных напряжений. Действием отброшенных частей пренебрегаем. Как было сказано ранее, на спинке лопатки после точения формируются тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака, поэтому момент от действия этих напряжений будет иметь направление, как показано на рис.4.30.
Рис.4.29. Сечение образца
На корыте после фрезерования возникают тангенциальные остаточные напряжения сжатия, поэтому момент от этих напряжений будет действовать в том же направлении, что и момент . Действие каждого из этих моментов проявляется в том, что рассматриваемый элемент изогнется в направлении уменьшения стрелки прогиба h.
Пусть размеры выделенного элементы будут следующие: R=75 мм, В=60 мм, а=2 мм. Так как отношение толщины пера а к радиусу R мало, то нормальные и перерезывающие силы можно не учитывать и изменение стрелки прогиба () от действия момента определить на основании известной зависимости для кривого бруса:
,
где - изгибающий момент от единичной силы, приложенной в месте определения прогиба (рис.4.30). Очевидно, приведенную зависимость можно записать и в таком виде:
,
где .
Первое слагаемое равно нулю, поэтому
.
Рис.4.30. Расчетная схема.
При принятых размерах выделенного элемента () зависимость для определения изменения стрелки прогиба упростится к виду:
- средние тангенциальные остаточные напряжения в интервале .
Подставим выражение для момента в исходную зависимость
.
После некоторых сокращений будем иметь
. (4.22)
Из ранее приведенных данных видно, что при точении резцами с положительными передними углами глубина проникновения остаточных напряжений для острого резца может быть принята равной мкм, а средняя величина этих напряжений Н/мм2. После подстановки этих величин в зависимость (4.22) получим:
мм (4.23)
Изменение стрелки прогиба от действия момента может быть рассчитано по зависимости (4.22) Из рис.4.27 видно, что при попутном фрезеровании глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений равна мкм, а среднее тангенциальное напряжение может быть принято Н/мм2 с учетом этих величин изменение стрелки прогиба за счет момента составит величину мм. Таким образом, общее изменение стрелки прогиба после чистового протачивания спинки и чистового фрезерования корыта определяется величиной, равной мм.
В следующей операции спинка лопатки шлифуется абразивным кругом.
Шлифование увеличивает глубину проникновения растягивающих остаточных напряжений до величины мкм и одновременно увеличивает их интенсивность. На основании опытов (рис.4.28) для анализа можно принять мкм и Н/мм2. При этих значениях и изменение стрелки прогиба составит величину мм.
Из принятой схемы технологического процесса обработки пера лопатки следует, что после шлифования спинки производится шлифование корыта с помощью абразивной ленты. При шлифовании абразивной лентой, так же как и при обработке абразивными кругами, возникают тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. Однако их интенсивность ниже. После фрезерования на поверхности корыта действуют сжимающие напряжения. Шлифование абразивной лентой наводит напряжения растягивающего знака. В итоге суммарные остаточные напряжения должны быть небольшой интенсивности и ими можно пренебречь. Исчезновение сжимающих напряжений на поверхности корыта изменит величину прогиба в сторону его уменьшения. Очевидно, изменение стрелки составит величину, равную
мм
Такое изменение стрелки прогиба будет наблюдаться перед окончательными чистовыми операциями.
Подсчитанное изменение стрелки прогиба нужно понимать таким образом; если тем или иным способом снять остаточные напряжения, то это приведет к деформации кромок по отношению к средней части на величину
.
Для простоты будем считать, что перед финишными операциями искажение формы отсутствует.
Пусть дефектный слой, который необходимо снять в последней операции, равен δ=0,05 мм. Шлифование на лентошлифовальном станке начнем со спинки пера лопатки. После операций точения и шлифования глубина проникновения и средние значения тангенциальных остаточных напряжений, как было принято ранее, соответственно равны:
мкм и Н/мм2
При лентошлифовании уровень остаточных напряжений снижается, глубина же проникновения может быть принята неизменной. Будем считать, что уровень остаточных напряжений растягивающего знака снизится до значений Н/мм2 и ( мкм).
Вследствие снижения уровня напряжения рассматриваемый элемент прогнется, как показано на рис.4.31.
Рис.4.31. Деформация образца.
Этот прогиб на основании зависимости (4.1) составит величину, равную Δ5 = 0,2 мм. Иными словами, чтобы снять дефектный слой по всей поверхности спинки, необходимо в средней части сошлифовать слой, равный
мм.
Перейдем к лентошлифованию корыта. Очевидно, в этом случае для снятия дефектного слоя нужно вначале по краям сошлифовать слой Δ5 = 0,2 мм, возникший в результате деформации элемента при лентошлифовании спинки. Кроме того, в результате шлифования корыта за счет изменения интенсивности остаточных напряжений появится дополнительная деформация элемента, которую необходимо учесть.
Будем считать, что по поверхности корыта растягивающие напряжения возрастают до величины Н/мм2 при глубине проникновения мкм.
В результате возникших напряжений элемент изогнется в направлении, совпадающем с деформацией Δ5. Подсчеты по зависимости (4.1) дают величину Δ6 =0,08 мм. Таким образом, при лентошлифовании корыта дефектный слой δ может быть сошлифован при условии удаления по краям элемента слоя, равного
мм.
Эти расчеты показывают, что при последней чистовой операции необходимо удалить слои металла: по спинке Δ6 =0,25 мм и по корыту Δ7 = 0,33 мм. Если учесть погрешности, связанные с установкой детали, то очевидно, припуски на последнюю операцию должны быть не менее:
для спинки ,
для корыта .
При мм припуски должны быть установлены в пределах:
для спинки мм,
для корыта мм.
Снятия таких припусков не лентошлифовальных станках, производительность которых в известной степени ограничена, связано с большой затратой времени.
Интересно отметить и следующее обстоятельство. Если изменить порядок шлифования, то изменяется и величина суммарных припусков. В самом деле, в начале шлифования со стороны корыта необходимо снять слой, равный:
мм,
А при последующем шлифовании спинки
мм.
С учетом погрешности установки припуски выразятся величинами:
для корыта мм,
для спинки мм.
При первом варианте обработки общий суммарный съем металла будет равен:
мм.
Для второго варианта
мм.
Сопоставление показывает выгодность второго варианта шлифования. Естественно, что второй вариант может быть применен, если допуск на изготовление будет менее мм, так как после шлифования спинки на корыте появится коробление по краям, равное мм. При первом варианте необходимо учитывать коробление по спинке, которое будет иметь величину, равную мм.
Приведенные ориентировочные расчеты относятся к частному случаю. В общем же могут быть различные варианты. Рассмотрим их.
Первый вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки одно из напряжений увеличивается, второе – уменьшается. Действие моментов от изменяющихся напряжений показано на рис.4.32.а. Этот вариант, очевидно, соответствует рассмотренному выше примеру. При последовательности обработки «спинка-корыто» на спинке необходимо удалить слой металла вследствие дополнительной информации равный , на корыто .
Рис.4.32. Расчетные варианты прогибов в зависимости от остаточных напряжений.
При последовательности обработки «корыто-спинка» соответственно: на корыте , на спинке .
Суммарная деформация для первого варианта
.
Для второго варианта
.
Очевидно, что для уменьшения суммарной деформации целесообразно выбирать последовательность обработки, начиная с поверхности, на которой изменение остаточных напряжений вследствие обработки будет меньшим.
Второй вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются (абсолютные значения), рис.4.32.б.
Последовательность «спинка-корыто»
.
Последовательность «корыто-спинка»
.
Для этого случая могут быть сделаны следующие рекомендации:
1. Обработку лучше начинать с поверхности, где изменение остаточных напряжений будет меньшим.
2. Если абсолютные значения остаточных напряжений при обработке изменяются одинаково, то суммарная деформация будет наименьшей и последовательность операций не имеет значения.
В самом деле, при последовательности «спинка-корыто»
.
Во втором случае «корыто-спинка»
.
Очевидно, что
Так как
.
Третий вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки оба напряжения увеличиваются, рис.4.32.в.
Последовательность «спинка-корыто»
.
Выводы для второго варианта справедливы и для третьего варианта.
Четвертый вариант.
На одной поверхности действуют растягивающие тангенциальные напряжения, на второй – сжимающие. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются (абсолютные значения), рис.4.32.г.
Последовательность «спинка-корыто»:
.
Последовательность «корыто-спинка»:
.
Результаты и выводы аналогичны первому варианту.
Пятый вариант.
На одной поверхности действуют растягивающие тангенциальные напряжения, на второй – сжимающие. В процессе обработки одно напряжение уменьшается, второе – увеличивается, рис.4.32.д.
Последовательность «спинка-корыто»:
.
Очевидно, что пятый вариант подобен второму и третьему.
Шестой вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются, рис.4.32.е.
Последовательность «спинка-корыто»:
.
Последовательность «корыто-спинка»:
.
Вариант подобен второму, третьему и пятому.
Седьмой вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки одно напряжение увеличивается, второе уменьшается, рис.4.32.з
Последовательность «спинка-корыто»:
.
Последовательность «корыто-спинка»:
.
Вариант подобен первому и четвертому.
Восьмой вариант.
По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки оба напряжения увеличиваются, рис.4.32.ж.
Последовательность «спинка-корыто»:
.
Последовательность «корыто-спинка»:
.
Вариант подобен второму, третьему, пятому и шестому.
Рассмотрение этих примеров показывает, что, во-первых, остаточные напряжения оказывают влияние на выбор межоперационных припусков, во-вторых, при составлении технологии обработки (порядок технологических процессов) также необходимо учитывать влияние остаточных напряжений.
Усматривается следующая закономерность: если на обрабатываемых поверхностях в предварительных операциях возникли тангенциальные остаточные напряжения одинаковых знаков, то на последующие операции можно рассчитывать минимальные припуски при условии, что в процессе обработки оба напряжения будут увеличиваться или уменьшаться одновременно.
Для поверхностей с разноименными знаками остаточных напряжений минимальные припуски будут иметь место при условии, если в последующих операциях тангенциальные остаточные напряжения на одной поверхности будут увеличиваться, а на другой уменьшаться.. Наиболее благоприятный вариант возникнет тогда, когда тангенциальные остаточные напряжения на противоположных поверхностях в процессе последующей обработки будут изменяться на одну и ту же величину (абсолютные значения). В этом случае необходимые межоперационные припуски будут наименьшими.
Тангенциальные остаточные напряжения сказываются не только на величинах припусков, их влияние в большей степени отражается на искажении формы сложных деталей. Для рассматриваемой детали - лопатки газовой турбины вследствие разной толщины пера от комля к периферии под действием тангенциальных остаточных напряжений возникает искажающая форму закрутка пера лопатки. При этом уместно заметить, что правка недопустима.
В процессе изготовления деталей часто используют метод электрополирования (съем металла) для снятия остаточных напряжений. Очевидно, что и в этом случае сказанное выше о влиянии тангенциальных остаточных напряжений на выбор межоперационных припусков и изменение формы остается в силе. Если стравливаются поверхности с одинаковыми знаками остаточных напряжений, то всевозможные поводки будут минимальными. Это положение сохраняет свое значение и для процессов, когда осуществляется специальная термическая обработка на снятие остаточных напряжений.
И в этом случае минимальные поводки (коробление, закрутка) будут тогда,- когда предварительными операциями создаются поверхности с одинаковыми знаками остаточных напряжений и одинаковыми их интенсивно-стями.
Из изложенного вытекает, что построение технологического процесса обработки необходимо рассчитывать с учетом действия остаточных напряжений. Выбор режимов резания должен быть подчинен условиям требуемого качества поверхностного слоя.
При расчете межоперационных припусков учет влияния остаточных напряжений может привести к снижению, трудоемкости обработки и удешевлению продукции.