Упрочнение поверхностного слоя заготовки при обработке резанием.

В процессе обработки резанием поверхностный слой обработанной заготовки упрочняется. Инструмент всегда имеет радиус скругления режущей кромки r, который при обычных методах заточки равен примерно 0.02 мм (на рисунке слева - схема образования поверхностного слоя).

Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания t больше радиуса r. Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом r и лежащий между линиями АВ и CD, упруго пластически деформируется. При работе инструмента значение радиуса r быстро растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между линиями АВ и CD увеличивается.

Упрочнение металла обработанной поверхности заготовки проявляется в повышении ее поверхностной твердости. Твердость металла обработанной поверхности после обработки резанием может увеличиться в 2 – 3 раза.

После перемещения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину h_y – упругое последействие. В результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней поверхностью резца. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше значение упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента делают задние углы (a и a₁), значения которых зависят от степени упругой деформации металла заготовки.

Упругопластическое деформирование металла приводит к возникновению в поверхностном слое заготовки остаточных напряжений растяжения или сжатия. Напряжения растяжения снижают предел выносливости металла заготовки, т.к. приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется действием коррозионной среды. Напряжения сжатия повышают предел выносливости. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, снижает точность их взаимного расположения и размеров.

Из всего выше сказанного можно сделать следующие выводы:

1) Окончательную обработку поверхностей заготовок следует вести таким образом и в таких условиях, чтобы остаточные напряжения отсутствовали или были минимальными;

2) Целесообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия.

Напряжения можно снизить, применяя, например, электрохимическую отработку, а для получения в поверхностном слое напряжений сжатия можно рекомендовать обработку поверхностным пластическим деформированием, например, обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обработанной резанием заготовки можно разделить на три зоны (рисунок слева:Зоны поверхностного слоя):

I – зона разрушенной структуры с резкими искажениями кристаллической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует обязательно удалять при каждой следующей обработке поверхности заготовки;

II – зона наклепанного металла;

III – основной металл.

В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет от нескольких миллиметров при черновой обработке до сотых и тысячных долей миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые.

Наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на процесс резания при последующей чистовой обработке, когда срезаются тонкие стружки. В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной твердостью, что приводит к его быстромузатуплению.