Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроение

 

К.т.н. Реченко Д.С., Леонтьева Е.В., Матвеева М.Г.

Омский государственный технический университет, Россия

Снижение остаточных напряжений в поверхностном слое при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР за счет применения высококачественного режущего инструмента при токарной обработке

 

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяют эксплуатационные свойства детали и являются важной характеристикой качества поверхности. Наиболее показательными являются величина и направление остаточных напряжений. Изменения физико-механических свойств поверхностного слоя вызываются воздействием на него высоких температур и давлений, приводящих к локализации деформаций. Существенное влияние на состояние поверхностного слоя оказывает явление упругого перемещения материала обрабатываемой заготовки, за счет трения, возникающего от режущего инструмента. Это приводит к упрочнению и пластическому растяжению тонкого поверхностного слоя и к образованию остаточных напряжений сжатия (Рис. 1). Тепло, выделяемое в процессе резания, также оказывает большое влияние на формирование поверхностного слоя и является источником образования остаточных внутренних напряжений растяжения, и определяет интенсивность протекания процессов разупрочнения. В результате этих процессов поверхностный слой изменяет свою твердость.

Направление напряжений, образующихся в поверхностном слое, определяется знаком напряженного состояния в процессе резания и зависит от деформаций сдвига и сжатия. При резании инструментами с положительными передними углами возникает интенсивное растяжение материала, что приводит к образованию зоны растягивающих напряжений 2 (Рис. 1). Радиус округления лезвия также оказывает значительное влияние на данный процесс. При больших значениях радиуса округления лезвия происходит уплотнение материала поверхностного слоя, за счет упругого контакта задней поверхности инструмента, что приводит к образованию зоны снимающих напряжений 1. Зона 3 образована действием уравновешивающих остаточных напряжений первых двух зон. Соотношение между размерами всех трех зон и их величины определяются схемой, режимами обработки и качеством заточки режущего инструмента.

Режимы резания, геометрия и качество затачивания режущего инструмента, схема резания, применение и состав СОЖ сильно влияют на свойства поверхностного слоя при обработке жаропрочных и титановых материалов. Теме определения остаточных напряжений, наклепа и твердости поверхностного слоя после резания посвящено множество работ [1-4] из которых ясно, что повышение скорости, подачи и глубины резания приводит к увеличению остаточных напряжений, а применение СОЖ, увеличение переднего и заднего углов режущего клина приводит к их снижению.

 

Рис. 1. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое

Повышение износа режущего инструмента также повышает наклеп, остаточные напряжения вследствие затруднения процесса резания, повышения сил резания и температуры. По некоторым данным [1] повышение наклепа происходит на 25…50 %, при износе инструмента до значения 0,8 мм по задней поверхности с острого состояния. При этом, острозаточенный резец позволяет получать σ=21 кГ/мм2, а резец с износом hз=0,8 мм – σ=32 кГ/мм2 [3]. Под «остро заточенный резец» понимают резец, имеющий остроту лезвия не менее ρ=20…25 мкм.

Уменьшение вписанного радиуса лезвия позволит снизить толщину поверхностного слоя (Рис. 2).

Рис. 2. Влияние износа  токарного резца на величину остаточных напряжений

 

Уменьшение вписанного радиуса округления лезвия, характеризующего остроту (качество затачивания) инструмента позволяет снизить остаточные напряжения в поверхностном слое обработанной детали. На рисунке видно, что повышение остроты лезвия до ρ=5 мкм при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР позволяет снизить остаточные напряжения до σ=10-12 кГ/мм2. При остроте (или величине износа) ρ=250 мкм остаточные напряжения находятся в пределах σ=83-87 кГ/мм2, то есть снижение остаточных напряжений происходит в 7,7 раза. При этом, в данной работе величина радиуса округления лезвия (острота) инструмента рассматривается как величина первоначального износа.

 

Литература:

1.            Кривоухов, В.А. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов / В.А. Кривоухов, С.В. Егоров, Б.Е. Бруштейн, А.И. Марков и др. – Машгиз, 1961.

2.            Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / Под ред. Н.И. Резникова. – М.: Машиностроение, 1972. – 200 с. 

3.            Подураев, В.Н. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов / В.Н.  Подураев. – М.: Изд-во Высш. шк., 1965. – 518 с.

4.            Резников, Н.И. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов / Н.И. Резников, И.Г. Жарков, В.М. Зайцев и др. – Машгиз, 1960. – 320 с.