0 руб
Оформить заказ6. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
Остаточные напряжения характеризуются внутренними напряжениями, которые сохраняются в детали после снятия внешней нагрузки (завершения процесса резания). При этом напряжения первого рода уравновешиваются в объеме всей детали или большей ее части; напряжения второго рода проявляются в объеме одного или нескольких зерен (например, из-за разных степеней их деформаций в результате различной ориентации кристаллографических плоскостей), напряжения третьего рода уравновешиваются в пределах объемов одного зерна.
Определение остаточных напряжений первого рода в поверхностном слое после механической обработки проводится по методике, разработанной академиком Н. Н. Давыденковым.
Методика эта заключается в том, что с поверхности образца стравливаются химическим или электрохимическим путем слои металла с одновременным измерением деформации образца, вызываемой перераспределением напряжений. Обычно для определения напряжений используются плоские образцы толщиной 4–6 мм, шириной 10–30 мм и длиной 60–100 мм, закрепляемые при травлении консольно или на двух опорах, а также на кольцах толщиной 4–10 мм с наружным диаметром 50–100 мм.
Электролиты для травления образцов обычно составляются на основе ортофосфорной кислоты H3PO4 с добавкой серной кислоты (до 15 %), глицерина (до 7 %), воды (до 12 %). Электрохимическое травление производится при плотности тока до 1 А/см2; не подлежащие травлению поверхности защищаются лаком, например хлорвиниловым.
Вид формул для расчета остаточных напряжений на расстоянии x от поверхностного слоя зависит от формы, размеров, способа установки образца в расположении исследуемой поверхности.
Для плоских образцов, закрепленных консольно,
установленных на двух опорах
,
где E — модуль упругости материала; L — длина рабочего участка исследуемого образца; a — исходная толщина образца; x — толщина удаляемого слоя; f — стрела прогиба образца.
Для кольцевых образцов при снятии внутренних слоев
; (V.7)
наружных
, (V.8)
где a — расстояние от середины рассматриваемого слоя до наружной в формуле (V.7) и внутренней в формуле (V.8) поверхностью кольца; D — наружный диаметр кольца; d — внутренний диаметр кольца.
На остаточные напряжения, их величину и знак влияют режимы резания (скорость и подача), геометрические параметры режущего инструмента и его износ, свойства обрабатываемого материала. Характерная эпюра распределения остаточных напряжений в поверхностном слое после обработки резанием показана на рис. V.14.
Во всех случаях обработки в обработанной поверхности можно выделить три слоя, отличающихся знаком и величиной остаточных напряжений [41]. В первом слое на глубине до 2–3 мкм действуют сжимающие напряжения, которые резко переходят в напряжения растягивающие, возникающие на глубине 20–60 мкм, и далее переходящие в сжимающие напряжения.
Сжимающие напряжения в первом слое являются результатом трения между металлом поверхностного слоя и задней поверхностью инструмента. Величина их обычно не превышает 150–200 МПа.
Растягивающие напряжения второго слоя определяются условиями образования поверхностного слоя между округленной поверхностью режущей кромки и основной массой металла. Величина этих напряжений может достигать 300–400 МПа при обработке конструкционных сталей и 700–900 МПа при обработке нержавеющих и жаропрочных сталей.
Сжимающие напряжения в третьем слое являются реакцией на напряжения второго слоя, а также могут возникать в связи с переходом в этот слой металла, деформированного растяжением в зоне стружкообразования. Величина этих напряжений колеблется от 20–60 МПа для конструкционных сталей до 200–300 МПа для труднообрабатываемых материалов.
При обработке хрупких материалов в поверхностном слое превалируют сжимающие напряжения, при обработке пластичных материалов — растягивающие. При шлифовании остаточные напряжения образуются прежде всего под воздействием теплового фактора и являются, как правило, растягивающими.
Схема влияния основных факторов на характер распределения остаточных напряжений показана на рис. V.15.
При малых толщинах среза, значительно меньших радиуса округления режущей кромки, превалируют сжимающие напряжения как результат выглаживающего действия инструмента. С увеличением подачи растут растягивающие напряжения, а также глубина их распространения за счет интенсивного пластического деформирования и повышения температуры поверхностного слоя.
С увеличением скорости резания до 3 м/с снижается глубина распространения и увеличивается величина остаточных растягивающих напряжений за счет сужения пластической зоны и увеличения угла скалывания. Этому способствует также уменьшение коэффициента трения на задней поверхности инструмента. Дальнейшее увеличение скорости резания вплоть до 10–15 м/с не оказывает существенного влияния на характер распределения остаточных напряжений. При шлифовании увеличение скорости резания приводит к большему нагреву шлифуемой поверхности и соответственно к росту напряжений растяжения и увеличению глубины их залегания.
Уменьшение переднего угла способствует некоторому уменьшению величины остаточных напряжений растяжения, но увеличивает глубину их распространения.
Уменьшение углов в плане и увеличение радиуса при вершине резца вызывают незначительное уменьшение величины и глубины распространения остаточных растягивающих напряжений, что связано с уменьшением толщины среза и снижением температур в зоне резания.
Увеличение износа инструмента повышает напряженность поверхностного слоя.
При увеличении времени шлифования растягивающие напряжения заметно возрастают, а область их распространения расширяется. Обработка без поперечной подачи позволяет устранить этот недостаток [62].