Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Грінер І.М.

Українська академія друкарства, Україна

КЕРУВАННЯ ЗАЛИШКОВИМИ НАПРУЖЕННЯМИ

ПРИ МЕХАНІЧНІЙ ОБРОБЦІ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

У сучасному машинобудуванні до якості механічної обробки деталей машин ставляться високі вимоги, що обумовлено необхідністю підвищення їх зносостійкості, втомної міцності, надійності та довговічності в процесі експлуатації машин і механізмів. У зв’язку з тим необхідно удосконалення технології механічної обробки деталей машин, особливо у відповідальних вузлах і механізмах. Особливу увагу слід приділяти, поряд з точністю розмірів і шорсткістю обробленої поверхні, наданню шару робочої поверхні деталей необхідних фізико-механічних властивостей. За дослідженнями [1], тонкий робочий шар деталей визначає зносостійкість та втомну міцність деталей машин. Найбільший вплив на зносостійкість і втомну міцність деталей мають залишкові напруження першого роду, які утворюються в процесі механічної обробки. Залишкові напруження стиску, які утворюються в поверхневому шару сприяють підвищенню експлуатаційних характеристик деталей та надійність їх з’єднання з натягом, а залишкові напруження розтягу знижують їх. Тому, для практики необхідно знати закони утворення залишкових напружень та їх залежність від технологічних параметрів з метою керування їх величиною.

При дії різального інструменту на заготовку в її поверхневому шарі відбувається пластична деформація, яка супроводжується спотворенням і зміною фізичних властивостей оброблюваної поверхні. Пластична деформація металу викликає зменшення його густини, а отже, обумовлює зростання питомого об’єму. Збільшення об’єму металу поширюється тільки на глибину проникнення пластичної деформації і не впливає на шари металу, які лежать нижче. Таке зростання об’єму спотворює структуру матеріалу при обробленні [2]. Збільшенню об’єму пластично деформованого металу поверхневого шару перешкоджають зв’язані з ним недеформовані шари, що лежать нижче. У результаті цього у зовнішньому шарі виникають стискаючі, а у нижніх шарах – залишкові напруження розтягу.

Під дією деформуючої сили різання відбувається зсувоутворення одного шару атомів відносно іншого. На елементарних ділянках, де викривлення кристалічної гратки досягли граничної величини, при подальшому додатковому викривленні в тому ж напрямку, викликаному фінішною операцією, можуть виникнути мікротріщини. Тому порушення цілісності обробленої поверхні багато в чому залежить від характеру та напрямку наявних і новоутворених кристалічних зсувів. При однаковому напрямку зсувів мікроруйнування поверхневого шару посилюються, і, навпаки, при незбіжних напрямках існуючі мікротріщинки більш інтенсивно будуть закриватися [3].

Залишкові напруження залежать від наявності дислокацій в матеріалі. Величина, як і характер розподілу залишкових напружень, обумовлені видом і знаком надлишкових дислокацій та їх розподілом за об’ємом деформованого матеріалу. А тому, можна стверджувати про зв'язок між залишковими напруженнями із спотворенням тонкої структури поверхневого шару металів після оброблювання різанням.

Звідси випливає, що потрібно прагнути будувати технологічний процес обробки деталі таким чином, щоб послідовно здійснювані оброблювані операції виконувалися не в одному напрямку дії вектору швидкості різання щодо оброблюваної поверхні, а в протилежних.

На основі проведеного аналізу літературних джерел запропонований метод зняття залишкових напружень, зміною напрямку дії вектора швидкості різання на чорнових і чистових (кінцевих) операціях.

Запропонована методика розрахунку глибини різання t₁ на чистовій операції для зняття шару пластичної деформації h_s після чорнового оброблення, яка забезпечує мінімальні залишкові напруження у оброблених поверхневих шарах деталей машин.

Глибину шару розповсюдження пластичної деформації після чорнового оброблювання визначаємо за рівнянням

, (1)

де s_Т – границя текучості оброблюваного матеріалу, МПа; Р_y – радіальне зусилля різання, Н.

Величину сили різання при чорновому оброблюванні визначаємо за рівнянням

, (2)

де t, s, v – відповідно глибина, подача і швидкість різання; x, y, z – показники степенів.

Рис.1. Схема різання:1 – різальне лезо; 2 – оброблювана деталь.

Глибина характеризує товщину спотворення обробленої поверхні внаслідок пластичного деформування і викривлення кристалічних граток металу після механічної обробки деталі. Для виправлення спотвореної поверхні необхідно, щоб товщина шару, на яку розповсюджується пластична деформація була на рівні при зміні напрямку дії вектора швидкості різання на чистових операціях обробки.

Для отримання мінімальних залишкових напружень необхідно, щоб виконувалась наступна умова (рис.1)

, (3)

де – глибина різання при чистовій обробці, мм; – глибина розповсюдження пластичної деформації при чистовій обробці, мм.

Глибину різання при чистовому оброблюванні визначаємо за умови розповсюдження пластичної деформації поверхні обробленої деталі на глибину

, (4)

Для визначення залишкових тангенціальних напружень використано метод Андерсена-Фальмана. Розрізавши по твірній кільця і вимірявши зміну діаметра, можна визначити залишкові тангенціальні напруження [4]:

, (5)

де ΔD – зміна зовнішнього діаметра після розрізання кільця, мм; D_ср – діаметр середнього кола кільця, мм; Е – модуль Юнга, МПа; m – коефіцієнт Пуассона; s – товщина стінки, мм.

Експериментальні дослідження управління залишковими напруженнями при механічній обробці виконувались на операції розточування отворів кілець зі сталі 45. При цьому напрям вектору швидкості різання на операції чистового розточування в одних експериментах співпадало з напрямом різання на операції чорнового розточування, а в інших експериментах цей напрям був протилежним. Основною метою досліджень було встановити можливості впливу ступені виправлення пластично деформованих зерен при чорновому розточуванні на глибині h_s, після чистового розточування на величину залишкових напружень.

Для дослідження залишкових напружень виготовлялись зразки - кільця з відпаленої сталі 45 ГОСТ 1050-88. Дослідження проводились на токарно-гвинторізному верстаті 1А616 при таких режимах різання: чорнове розточування – t =1 мм, s= 0,26 мм/об, n= 560 хв^-1; чистове розточування – t₁ =0,35 мм, s₁= 0,08 мм/об, n₁= 1120 хв^-1.

Експериментально встановлено, що при чорновій і чистовій обробці в одному напрямку вектора швидкості залишкові напруження першого роду складають 20…41 МПа, а при чистовій обробці у протилежному напрямку вектора швидкості напруження мають мінімальні значення (2…4 МПа).

Проведені дослідження підтверджують перспективність використання цього методу при вирішенні технологічних задач, пов’язаних із підвищенням якості і зменшенням залишкових напружень в поверхневих шарах оброблених поверхонь.

Знаючи величину пластичної деформації на оброблюваній поверхні, можна забезпечити шляхи усунення залишкових напружень методом зміни напрямку вектора швидкості на операціях чистової обробки.

Література:

1. Суслова А.Г. Инженерия поверхности деталей / Под ред. Суслова А.Г. – М.: Машиностроение, 2008.– 318 с.

2. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность в машиностроении / Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. – Минск: Наука и техника, 1977. – 256 с.

3. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов./ Старков В.К. М.: Машиностроение, 2009.-640 с.

4. Соколов И.А. Остаточные напряжения и качество металлопродукции / Соколов И.А., Уральский В.И. – М.: Металлургия, 1981. – 96 с.