БИБЛИОТЕКА

Теоретические предпосылки учета пластического деформирования поверхностного слоя металла при механической обработке деталей машин

Чистяков А.В., доцент, канд. техн. наук, ШИ ЮРГТУ(НПИ).

http://www.siurgtu.ru/actionsferas/science/sbornik/4/6.php

Главная проблема современной техники - низкая надежность и долговечность машин. Надежность машин является важнейшей предпосылкой увеличения эксплуатационных и межремонтных периодов, уменьшения продолжительности ремонтных работ, улучшения условий эксплуатации и безопасности. В России ремонт и восстановление действующего оборудования, особенно в условиях резкого сокращения расходов на обновление парка машин, требует все больших и больших затрат как материальных, так и финансовых ресурсов. В существующих экономических условиях падения выпуска продукции машиностроения повышение долговечности машин в какой-то степени компенсирует эти потери, кроме того, снижает стоимость продукции и повышает производительность.

Статистика показывает, что более 80% машин и механизмов, аппаратов и приборов выходит из строя в результате износа деталей, работающих на трение - подшипников, зубчатых колес, цапф, муфт, шлицевых соединений, деталей уплотнений и различных направляющих. Процессы, которые сопровождают трение и износ связаны с рядом факторов, в том числе с условиями трения, физико-механическими свойствами материалов.

На износостойкость в большой степени влияет качество поверхностного слоя, физическое состояние которого характеризуется микрогеометрией, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Свойства поверхностного слоя деталей в процессе трения подвергаются изменениям, интенсивность и характер которых зависят от процессов пластического деформирования обрабатываемого металла.

Влияние геометрических характеристик поверхности на износостойкость и некоторые другие эксплуатационные характеристики исследовались в работах П. И. Ящерицына, Ю. Г. Шнейдера, Э. В. Рыжова, А. Г. Суслова, В. С. Комбалова, Н. Б. Демкина, В. Г. Брагина, А. А. Маталина и других.

Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя, в том числе упрочнения, на эксплуатационные свойства деталей рассматривалось в работах С. С. Силина, В. Ф. Безъязычного, А. Д. Макарова, М. Ф. Семко, А. И. Промтова, Д. Д. Папшева, а роль технологической наследственности и в работах П. И. Ящерицына.

При пластической деформации поверхностного слоя металла происходит фрагментация зерен, увеличивается на несколько порядков плотность дислокаций, возникают микроискажения кристаллической решетки. Эти изменения в работе классифицируются по пяти основным признакам, или по видам процессов, протекающих одновременно или раздельно в зоне резания и влияющих на упрочнение поверхности детали [1-3]:

слияние отдельных кристаллических решеток обрабатываемого металла в маленькие блоки, состоящие из совокупности правильных ячеек, дезориентированных друг относительно друга;

перемещение целых частей кристаллической решетки в направлении, параллельном движению инструмента;

смещение амплитуды колебания основных металлографических плоскостей решетки металла в сторону образования новой кристаллической решетки;

деформация ячеек или полный сдвиг всей кристаллической решетки с изгибанием ее металлографических плоскостей;

ориентирование кристаллов или отдельных их частей в определенном направлении на обработанной поверхности.

Увеличение плотности дислокаций, то есть уменьшение средней величины их свободного пробега, возникает в процессе пластической деформации поверхностного слоя металла из-за развивающихся в кристаллической решетке структурных изменений, приводящих к увеличению числа границ блоков мозаики, около которых задерживаются дислокации.

Анализ рассмотренных выше результатов научных исследований позволяет сделать вывод о том, что качество поверхностного слоя при обработке резанием зависит не только от температуры обработки, но и от условий пластической деформации. Величина структурных изменений, следовательно, зависит от различных технологических параметров обработки, то есть и от температуры обработки, и от условий пластической деформации, а также от исходной структуры стали.

Учет структуры поверхностного слоя детали после механической обработки и исходной структуры материала позволит наиболее рационально назначать режимы и методы обработки для обеспечения требуемой износостойкости поверхностей деталей.

Известна функциональная связь между эксплуатационными показателями деталей и качеством их поверхностного слоя. Для разработки технологических методов и путей управления качеством поверхности деталей машин при механической обработке важное значение имеет установление закономерностей формирования качественных показателей поверхностного слоя деталей машин [2, 3].

Процесс формирования качественных показателей поверхностного слоя деталей при обработке их лезвийным инструментом происходит непосредственно в зоне резания, где действуют большое количество факторов, оказывающих влияние на степень пластического деформирования поверхностного слоя обрабатываемого материала.

На рис. 1 представлена укрупненная схема главных связей между основными действующими факторами процесса механообработки.

Рисунок 1 - Укрупненная схема главных связей между факторами процесса механообработки

Согласно этой схеме в зоне резания действуют внешние факторы. При этом в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, его структуры и состояния поверхностного слоя, которое может быть определено шероховатостью и глубиной упрочненного слоя, полученного на предыдущей операции механической обработки, назначается геометрия заточки режущего инструмента, его материал и состояние контактных поверхностей, определяются условия резания, оборудование и способы охлаждения зоны резания [4, 5].

В зоне резания действуют также внутренние факторы, которые сводятся к пластическому деформированию металла в зоне резания. Физические явления в зоне резания определяют процессы стружкообразования и наростообразования на контактных площадках инструмента, а также температуру и силы резания. Процессы стружкообразования и наростообразования на контактных площадках инструмента характеризуются длиной контакта стружки с передней поверхностью инструмента, усадкой стружки, радиуса ее закругления, характеристикой застойной зоны, углом сдвига.

Схема напряженно-деформированного состояния поверхности обрабатываемого материала в зоне резания приведена на рис. 2. Вследствие трения и давления задней поверхности инструмента и выступающей части нароста или застойной зоны на обрабатываемую поверхность возникают дополнительные напряжения, которые приводят к некоторому изменению величины остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое [4-6].

Рисунок 2 - Схема напряженно-деформированного состояния материала в зоне формирования поверхностного слоя

Любое изменение внешних факторов процесса резания металлов, реализуется в пластическом деформировании металла на контактных площадках инструмента, приводит к определенной степени деформирования поверхностного слоя металла и оказывает влияние на качественные показатели обработанной поверхности детали и стойкость инструмента в целом. А это, в свою очередь, определяет эксплуатационные показатели поверхностного слоя детали, в частности износостойкость [7].

В условиях сложно-напряженного состояния материала микрообъема в зоне резания происходит формирование текстуры поверхностного слоя детали и ее направление. Если допустить, что формирование текстуры поверхностного слоя протекает в плоскости, перпендикулярной основной плоскости и совпадающей с направлением продольной подачи, при свободном резании металла деформацию отдельной структурной составляющей обрабатываемого материала в зоне резания можно представить в виде деформации микрообъема, находящегося под действием компонентов напряжений s x , s y , s z ( рис. 3 ).

Рисунок 3 - Схема деформаций материала поверхностного слоя находящегося под действием компонентов напряжений s x , s y , s z

В результате кинематического анализа процессов деформирования металла при формировании текстуры поверхностного слоя детали, подвергнутой механической обработке получены следующие зависимости:

Величины e x характеризуют степень деформации металла в поверхностном слое, а угол g xy - направленность сформировавшейся в процессе резания текстуры. Полученные в результате аналитического исследования сложно напряженного состояния материала в зоне резания и его влияния на процесс формирования поверхностного слоя деталей зависимости могут быть использованы для алгоритмизации процессов управления качеством поверхностей деталей машин при резании металлов.

На основании вышеизложенного можно указать следующие основные направления в поиске основных составляющих системы формирования эксплуатационных свойств поверхностей деталей с учетом степени пластического деформирования поверхностного слоя обрабатываемого материала:

проведение экспериментальных исследований влияния режимов и условий механической обработки на состояние поверхностного слоя обрабатываемых деталей;

разработка технологических методов и путей оптимизации качества обработанных поверхностей, учитывающих пластические деформации поверхностного слоя, поиск рациональных режимов резания и геометрических параметров обрабатывающего инструмента, при эффективном применении СОТС;

реализация комплексного подхода к формированию качественных показателей поверхностного слоя деталей.

Список использованой литературы

Чистяков А. В. Влияние физико-механического и структурного состояния поверхностного слоя деталей на их износостойкость / Новочерк. политехн. ин-т.- Новочеркасск, 1987. 16 с. Деп. в ВНИИТЭМР 28.04.87. № 206 мш-87.
Чистяков А. В. Пути формирования структуры поверхностного слоя деталей при механической обработке / Новочерк. политехн. ин-т.- Новочеркасск, 1987. 11 с. Деп. в ВНИИТЭМР 28.04.87. № 207 мш-87.
Чистяков А. В. Исследование закономерностей формирования качественных показателей поверхностного слоя деталей / Новочерк. политехн. ин-т.- Новочеркасск, 1987. 13 с. Деп. в ВНИИТЭМР 28.04.87. № 212 мш-87.
Бутенко В. И., Чистяков А. В. Аналитическое исследование релаксационной стойкости дислокационной структуры материала поверхностного слоя обработанных изделий // Вопросы совершенствования машин, оборудования и технологий строительной индустрии: Сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1996. С. 82-88.
Чистяков А. В., Бутенко В. И., Гоголев А. Я. Оптимизация эксплуатационно-технологических процессов в машиностроении. - Новочеркасск: НГТУ, 1997. 228 с.
Чистяков А. В., Бутенко В. И. Обеспечение качественных и эксплуатационных показателей поверхностного слоя деталей при механообработке. - Новочеркасск, 1997. 207 с.
Чистяков А. В. Обеспечение трибологической надежности машин упрочнением деталей поверхностным пластическим деформированием // Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр., - Новочеркасск: НГТУ, 1994. - С. 30-36.

Главная страница

Автореферат

Отчет о поиске

Ссылки

Индивидуальное задание