Качество поверхности

Качество поверхности, обработанной режущим инструментом, определяется шероховатостью и физическими свойствами поверхностного слоя. Обработкой резанием не может быть получена идеально ровная поверхность. Режущие кромки инструментов оставляют неровности в виде впадин и выступов различной формы и размеров. Поверхностный слой после обработки резанием существенно отличается от основной массы металла, так как под действием инструмента его твердость и кристаллическое строение изменяются. Толщина дефектного поверхностного слоя зависит от материала заготовки, вида и режима обработки и при некоторых видах черновой обработки достигает 0,5-1 мм.

От качества поверхности зависят следующие эксплуатационные характеристики деталей: износостойкость поверхностей трущихся пар, характер посадок подвижных и неподвижных соединений, усталость или циклическая прочность при переменной нагрузке, коррозионная стойкость поверхности, аэро- и гидродинамические свойства обдуваемых газом или обтекаемых жидкостью поверхностей.

Износостойкость детали определяется стойкостью ее поверхностного слоя против разрушения при трении о соприкасающуюся деталь. Из-за неровностей на поверхности соприкосновение трущихся деталей происходит не по всей номинальной площади соприкосновения, а лишь по вершинам выступов обеих трущихся поверхностей. Таким образом, давление одной детали на другую передается лишь на фактически находящиеся в контакте выступы, которые могут сминаться или даже срезаться при движении одной поверхности по другой. Смятие вершин выступов происходит интенсивно в начале работы двух трущихся поверхностей, пока они не приработаются, т.е. неровности сгладятся, а суммарная площадь контакта увеличится. Схема износа поверхности приведена на рис. 1.4.

d dК d0 0 Т0 ТК Т Рисунок 1.4 – Принципиальная схема изнашивания

По оси абсцисс отложено время работы, по оси ординат – величина износа. В начале работы трущихся поверхностей износ в течение отрезка времени Т₀ нарастает интенсивно до достижения величины d₀ (первичный износ в период «приработки»). При этом зазор между трущимися поверхностями быстро увеличивается. Затем интенсивность износа уменьшается и становится приблизительно постоянной до достижения некоторой величины d_К (точки К), после чего вновь начинает возрастать, вплоть до наступления момента разрушения трущихся поверхностей (катастрофический износ). Направление штрихов на трущихся поверхностях влияет на износ, так как в зависимости от направления штрихов смазка лучше или хуже удерживается и распределяется по трущимся поверхностям. Износ зависит также от твердости поверхностного слоя.

Характер посадок подвижных соединений зависит от качества поверхности. При значительной шероховатости сопряженных поверхностей первоначальная посадка после кратковременной работы подвижного соединения переходит в более свободную вследствие износа этих поверхностей. При неподвижных посадках фактический натяг, получающийся при запрессовке детали с более шероховатой поверхностью, оказывается иным, чем при запрессовке детали с менее шероховатой поверхностью. Это объясняется тем, что деталь контролируют при контакте измерительного инструмента с вершинами выступов, которые при запрессовке сминаются.

Усталостная прочность детали зависит от шероховатости обработанных поверхностей. Риски, получающиеся при обработке резанием, вызывают концентрацию напряжений и вначале приводят к появлению мелких трещин, которые в дальнейшем увеличиваются и разрушают деталь.

Коррозионная стойкость поверхностей с незначительной шероховатостью выше, так как общая площадь поверхности, соприкасающейся с коррозионной средой, меньше. Вещества, вызывающие коррозию, задерживаются на дне впадин, и поэтому чем больше глубина впадин и меньше радиус закругления дна их, тем больше действие коррозии.

Аэро- и гидродинамические свойства поверхности зависят от шероховатости, так как при обтекании поверхности жидкостями и газами сопротивление движению возрастает или уменьшается в зависимости от высоты неровностей поверхности.

На качество обработанной поверхности влияют многие факторы, например, материал обрабатываемой заготовки, вид обработки, жесткость системы станок – приспособление – инструмент – деталь, форма, материал и степень остроты режущих инструментов, режим обработки и вид смазочно-охлаждающей жидкости.

При обработке резанием металл впереди резца переходит в пластичное состояние под действием сил резания и повышенной температуры. Глубина поверхностного слоя с разрушенной кристаллической структурой зависит от режимов резания и вязкости материала. При точении, фрезеровании, протягивании, т.е. при процессах, происходящих с относительно небольшими скоростями, но с большими силами резания, поверхностный слой наклепывается на значительную глубину. При шлифовании вследствие высоких температур в поверхностном слое возникают структурные превращения на глубине нескольких сотых миллиметра; например, после шлифования наружный слой стальной детали, закаленной на мартенсит, оказывается закаленным на аустенит; следующий слой – на тростит, и только после этого слоя следует слой с первоначальной мартенситной структурой. На качество поверхности влияют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Они уменьшают трение между инструментом и заготовкой и понижают температуру трущихся поверхностей. Наклеп и шероховатость поверхности зависят от вибрации станка, инструмента и заготовки. Колебательные движения в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности, приводят к попеременному сближению и удалению режущей кромки инструмента с обрабатываемой поверхностью, создавая на ней то впадины, то выступы. При высоких частотах и малых амплитудах колебательные движения приводят к беспорядочному расположению возвышений и впадин.

Колебательные движения, возникающие при резании металлов, разделяют на вынужденные и самовозбуждающиеся или автоколебания. Вынужденные колебания вызываются действием внешних возмущающихся сил. Причинами вынужденных колебаний могут быть дефекты зубчатых передач в механизме привода станка, создающие непостоянство скорости рабочего движения, дефекты подшипников шпинделя, недостаточная уравновешенность, быстро вращающихся частей (обрабатываемой заготовки, патрона, шкивов и т.п.), вызывающая появление динамических нагрузок, неравномерность снимаемого слоя металла.

Самовозбуждающиеся колебания или автоколебания возникают потому, что любая автоколебательная система обладает способностью преобразовывать энергию постоянного источника в периодические импульсы, возбуждающие и поддерживающие колебательное движение. Основными причинами возникновения автоколебаний при резании металлов являются или периодические изменения сил трения режущих поверхностей инструмента о стружку и поверхность заготовки, или периодический характер пластических деформаций металла при отделении стружки.