Качество обработанной поверхности при резании металлов

Эксплуатационные свойства деталей машин, в частности их долговечность, надежность, прочность и антикоррозионная стойкость, в значительной степени зависят от качества поверхностного слоя деталей. Особо высокие требования к качеству поверхностного слоя предъявляются к таким деталям, которые работают при высоких скоростях, высоких температурах, а также в агрессивных средах.

Качество поверхности деталей машин определяется шероховатостью и физико-механическими свойствами их поверхностного слоя.

Шероховатость обработанной поверхности

Реальная поверхность детали после механической обработки, в отличие от идеальной поверхности, изображенной на чертежах, всегда имеет неровности различной формы и высоты [6].

Под шероховатостью поверхности понимается совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности. В соответствии с ГОСТ 2789-73 шероховатость поверхности характеризуется высотой неровностейRz или средним арифметическим отклонением Ra.

Стандартом предусмотрено 14 классов шероховатости (чистоты поверхности).

Наиболее шероховатая поверхность относится к 1-му классу, наименее шероховатая − к 14-му. Каждый класс шероховатости оценивается определенными значениями Ra и Rz, например, или .

Значения Ra и Rz, соответствующие каждому классу шероховатости по ГОСТ 2789-73, приведены в табл.13.1.

Таблица 13.1

Классы и размеры шероховатостей поверхности

Класс шероховатости ГОСТ 2789-73 ГОСТ 2789-73 Базовая длина, мм
Наибольшее значение параметра шероховатости, мкм
Класс чистоты Ra, мкм Rz, мкм
по классу по разделу по классу по разделу
1 2 3 4 5 6 7
- - 8,0
2,5
2,5 2,5 2,0 1,6 -
1,25 1,25 1,00 0,80 6,3 - 0,8
0,63 0,63 0,50 0,40 3,2 -
0,32 0,32 0,25 0,20 1,6 -
0,160 0,160 0,125 0,100 0,8 - 0,25
0,080 0,080 0,063 0,050 0,4 -

1 2 3 4 5 6 7
0,040 0,040 0,032 0,025 0,2 -
- - 0,100 0,100 0,080 0,063 0,08
- - 0,05 0,050 0,040 0,032

Продолжение табл. 13.1

Высота и форма неровностей поверхности, расположение и направление обработочных рисок зависят от принятого метода и режима обработки, геометрии режущего инструмента, свойств обрабатываемого материала, состояния используемого оборудования и т.д.

В первом приближении шероховатость можно рассматривать как след инструмента на обработанной поверхности, обусловленный сочетанием главного движения и движения подачи. В отношении движения инструмента принято различать два вида шероховатости: продольную и поперечную. Поперечная шероховатость обычно больше продольной; в этом случае при оценке шероховатости поверхности ограничиваются измерением неровности поверхности в направлении подачи.

На первый взгляд может показаться, что высоту неровностей можно легко рассчитать аналитическим путем. Например, при токарной обработке высоту неровностей в направлении подачи инструмента можно определить из сопоставления двух смежных положений резца, смещенных на величину подачи (рис. 13.1), по приближенной формуле



, (13.1)

где Нр – расчетная высота;

s – подача, мм/об;

R – радиус резца при вершине.

Рис. 13.1. Схема образования шероховатости поверхности

Однако непосредственные измерения показывают, что действительная высота неровностей существенно отличается от расчетной за счет пластической и упругой деформаций в процессе резания, вибраций, износа инструмента и т.д.

В общем виде высота неровностей Rz (Ra) может быть определена из следующей зависимости:

Rz=Hp+ΔH, мкм, (13.2)

где Нр – расчетная или теоретическая величина неровностей;

ΔH – отклонение фактической высоты неровностей от расчетной.

При этом расчётная величина неровностей при радиусе резца при вершине, равной нулю (R=0), может быть определена по формуле

, (13.3)

при R 0 по формуле (13.1)

.

Суммарная величина отклонений ΔН может быть представлена выражением

ΔН = ΔНпл.деф.+ΔНупр.деф.+ΔНтр.з.п.+ΔНнар.+ΔНвибр.+ΔНh, (13.4)

т.е. учитывает влияние пластической ΔНпл.деф и упругой деформаций ΔНупр.деф, трения задней поверхности инструмента о деталь ΔНтр.з.п, наростообразования ΔНнар, вибрации ΔНвибр, износа инструмента ΔНh и т.д.

Необходимо отметить, что пластическая деформация и другие факторы воздействуют наRz таким же образом, как они действуют на интенсивность износа инструмента при резании.

Так, скажем, чем выше трение, тем больше интенсивность износа, тем хуже обработанная поверхность и т. д.

Поскольку расчетная высота неровностей Нр находится из чисто геометрических соображений и от других параметров процесса резания не зависит, то изменение шероховатости обработанной поверхности связано с изменением DН.

На величину DН (или на Rz) оказывают влияние следующие основные факторы: режимы резания, свойства обрабатываемого материала, свойства инструментального материала, геометрия инструмента, жесткость системы СПИД и др.

Из режимов резания наиболее сильное влияние на шероховатость оказывает скорость резания. Известно, что при работе на низких скоростях резания (первая зона скоростей), при которых нарост не образуется, получается (образуется) довольно хорошая чистота поверхности, т.е. меньшая шероховатость обработанной поверхности (рис.13.2).

При повышении скорости резания (II зона) до V = 20–30 м/мин создаются условия для развитого и устойчивого нароста, который, выступая впереди лезвия и нижелинии среза, ухудшает шероховатость поверхности. Дальнейшее увеличение скорости резания (III зона) приводит к уменьшению наростообразования и высоты неровностей обработанной поверхности.

V

I зона II зона III зона

Рис. 13.2. Влияние скорости резания на усадку стружки и шероховатость поверхности

За пределами наростообразования высота неровностей снижается и принимает наименьшее значение при определенной скорости резания. Дальнейшее увеличение скорости резания, по данным многих исследователей, не оказывает существенного влияния на шероховатость. В связи с этим А. И. Исаевым введено понятие «граничной» скорости резания Vгpaн, а А. Н. Ереминым – понятие скорости зеркальной, Vзерк, после которой поверхность приобретает зеркальный блеск.

Вместе с тем экспериментальные данные многих исследователей [18] показывают, что кривые Rz = f(V), выражающие зависимость высоты неровностей от скорости резания при обработке различных материалов инструментами, оснащенными различными марками твердого сплава, во многих случаях имеют характерные точки минимума (рис. 13.3).

Характерным является то, что точки минимума шероховатости совпадают с минимальной интенсивностью износа инструмента. Это показывает, что между интенсивностью износа инструмента, трением и шероховатостью существует тесная взаимосвязь.

В заключение следует отметить, что, как правило, скорости резания Vгpaн. и Vзерк. по своим значениям совпадают со скоростями V0, оптимальными как по интенсивности износа, так и по шероховатости поверхности.

hоп μ΄ Rz hоп μ΄ Rz V

Рис. 13.3. Влияние скорости резания на интенсивность износа hоп,

коэффициент трения μ' и шероховатость обработанной поверхности Rz

Для оценки и измерения шероховатости существует целый ряд приборов. Наиболее широкое применение в промышленности и исследовательских организациях получили оптический-двойной микроскоп МИС-11 (МИС-12) конструкции академика В.П. Линника (рис. 13.4) и щуповые – различные модели профилометров, например модели 240 или 296 (рис. 13.7).

7 21
1
19
20
5
10
9
14
15
3
11
18
8
6
17
4
2
16
13
12

Рис. 13.4. Двойной микроскоп Линника МИС-11

Двойной микроскоп типа МИС-11 предназначен для контроля качества обработки (шероховатости) поверхностей путем измерения высоты неровностей микропрофиля в пределах от 3 до 9 классов шероховатости.

Прибор имеет массивное основание 1, на котором установлена колонна 2. На колонне с помощью подвижного кронштейна 3 укреплен держатель 4 тубусов микроскопов: проектирующего 5 и микроскопа наблюдения 6. В нижнюю часть каждого из тубусов микроскопа ввинчиваются объективы 7 и 8. В верхней части проектирующего микроскопа расположен патрон с электролампой 9, который можно передвигать при регулировке освещения и зажимать винтом 10. В верхней части микроскопа наблюдения установлен винтовой окулярный микрометр 11 с окуляром 12, предназначенный для производства визуальных измерений. Отчет производится с помощью барабана 13. При фотографировании исследуемого профиля окулярный микрометр заменяется фотонасадкой с обычным окуляром.

Держатель тубусов 4 вместе с микроскопами может быть грубо установлен по высоте путем перемещения вдоль колонки посредством гайки 14 и закреплен в нужном положении винтом 15. Для фокусировки микроскопов на объект служат кремальера (маховичок 16)и микрометренный механизм (барабанчик 17).

Для установки и перемещения излучаемых объектов прибор снабжен предметным столиком 18. Столик с объектом передвигается в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микрометренных винтов 19, а также поворачивается вокруг вертикальной оси и фиксируется стопорным винтом 20. Для установки цилиндрических деталей к прибору прилагается съемная призма 21.

Лампочка осветителя питается через трансформатор от сети переменного тока 127/220 В. Накал лампочки регулируется реостатом, вмонтированным в корпус трансформатора.

Для измерения поверхностей различных классов чистоты к прибору прилагаются четыре пары сменных микрообъективов 7, 8. Все объективы рассчитаны на длину тубуса, равную бесконечности.

Оптическая система прибора представлена на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Оптическая схема двойного микроскопа МИС-11

Свет от лампы 1 при помощи щелевой диафрагмы 2 (рис. 13.5) осветительного микроскопа направляется объективом 3 на исследуемый участок поверхности под некоторым углом α.

След пересечения освещаемого участка поверхности с плоскостью светового потока в виде искривленной линии проектируется с помощью объектива визуального микроскопа 4 на сетку окулярного микроскопа 5.

Световое сечение профиля наблюдается через окуляр 6 в увеличенном виде с искаженной высотой микронеровностей. Искажение профиля вызвано тем, что его освещение осуществляется пучком лучей, направленных под некоторым углом α. Масштаб увеличения зависит от сменных объектов.

К прибору прилагается набор сменных объектов с разным фокусным расстоянием и увеличением (табл. 13.2).

Таблица 13.2

Характеристики сменных объективов для МИС-11

Фокусное расстояние объектива F, мм Апер-тура Увеличение объектива с дополнительной линзой F=147 мм Поле зрения, мм Высота неровности профиля, которую можно измерить данным объективом
мкм класс шеро-ховатости
от до от до
1 2 3 4 5 6 7 8

Продолжение табл.13.2

1 2 3 4 5 6 7 8
25,0 0,13 5,9 1,8
13,9 0,30 10,5 1,0
8,16 0,37 0,6 1,5
4,25 0,50 34,5 0,3 0,8

Предварительный выбор объективов производится на основании ожидаемого класса шероховатости. Если при этом в процессе измерения выясняется, что неровности поверхности лежат вне пределов, рекомендуемых для измерения данной парой объективов, то следует заменить объективы другими, как правило, соседними в табл. 13.2.

Для удобства измерения перекрестие окулярной пластинки перемещается микрометрическим винтом с ценой деления барабана 0,01 мм под углом β (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Измерение шероховатости по изображению в микроскопе

Поэтому фактическое значение высоты неровностей

, (13.5)

так как α=β=45º, то

, (13.6)

где В – измеренная (разность отсчета по барабану окулярного микрометра) величина неровностей;

N – увеличение объективов микроскопа.

Профилометр цехового типа с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем модели 296 предназначен для измерения шероховатости по параметру Ra для классов с 6 по 12 (рис. 13.7).

11
Измеряемая деталь

Рис. 13.7. Профилометр модели 296: 1 – привод профилометра; 2 – электронный блок; 3 – плита с колонной; 4 – преобразователь прибора (датчик); 5 – шланг соединительный; 6 – призма для цилиндрической детали; 7 – кронштейн; 8 – винт крепления; 9 – гнездо привода; 10 – винт крепления датчика; 11 – гайка подъема датчика;

12 – цифровое табло; 13 – индикатор рабочей зоны

Действие прибора основано на принципе ощупывания исследуемой поверхности алмазной иглой щупа и преобразовании возникающих при этом механических колебаний щупа в изменение электрического сигнала, пропорционально этим колебаниям. Блок-схема прибора показана на рис. 13.8.

Рис. 13.8. Блок-схема профилометра модели 296

При перемещении измерительного устройства прибора (с помощью индивидуального привода, смонтированного в корпусе преобразователя) поперечные колебания алмазной иглы 1 вызывают изменение воздушного зазора между якорем 7 и сердечником преобразователя 8. Вследствие этого изменяется напряжение на выходе дифференциального трансформатора 4, две половины первичной обмотки которого и катушки преобразователя 2 образуют мост. Питание балансового моста осуществляется от генератора звуковой частоты 3. Изменения напряжения усиливаются электронным блоком 5, на выходе которого включен показывающий прибор 6.

При измерении преобразователь прибора 4 (рис. 13.7) закрепляется в гнезде привода 9 винтом 10.

Лабораторная работа № 13. Исследование влияния скорости резания, подачи и радиуса при вершине резца

на шероховатость обработанной поверхности

Цель и задачи работы –исследование влияния режимов резания: скорости резания V, подачи s и радиуса при вершине резца R на шероховатость поверхности при токарной обработке. Изучить принцип измерения шероховатости обработанной поверхности с использованием микроскопа МИС-11 и профилометра цехового типа модели 296; получить практические навыки по измерению шероховатости и обработке экспериментальных данных, определить влияние режимов резания и геометрии инструмента на шероховатость; построить графики зависимости шероховатости от режимов резания (V, s) и радиуса резца при вершине R; произвести анализ полученных данных и сделать выводы.

Применяемое оборудование, инструменты, материал и приборы

Для выполнения работы необходимы:

- токарно-винторезный станок;

- токарные резцы, оснащенные пластинками твердого сплава Т15К6 или ВК8 (α=α1=10º; γ=0º; R =0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 мм). Рабочие поверхности резцов доводятся алмазными шлифовальными кругами;

- обрабатываемый материал – заготовка Ø 50–80 мм; длиной 250–300 мм;

- стойка для закрепления оптической системы микроскопа МИС-11 на станке;

- профилометр цехового типа модели 296;

- штангенциркуль.

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с устройством и использованием приборов МИС-11 и профилометра модели 296 (рис.13.4, 13.7).

2. Установить заготовку на станке и проточить необходимое количество поясков (рис. 13. 9).

Рис. 13.9. Эскиз детали

3. В соответствии с указаниями преподавателя проточить буртик (t=0,5–1 мм; n=50–800 об/мин; s=0,1 мм/об).

4. Замерить параметры Rz (Ra) с использованием микроскопа МИС-11 или профилометра 296. Определить расчетную величину неровностей. Определить класс шероховатости.

Порядок работы на профилометре модели 296

1. Включите профилометр в сеть.

2. Установите предел измерения. Предел измерения выбирается минимальным из превышающих ожидаемое значение Ra.

3. Установите требуемую отсечку шага. Если отсечка шага не задана на чертеже контролируемой детали, то она устанавливается исходя из рекомендации ГОСТ 2789-73 в зависимости от ожидаемого значения Ra.

Таблица 13.3

Величина отсечки шага в зависимости от Ra

Ra, мкм l, мм
До 0,4 0,25
Св. 0,4 до 3,2 0,8
Св. 3,2 2,5

4. Установите требуемую длину трассы. Длина трассы выбирается в соответствии с ГОСТ 19300-86 в зависимости от отсечки шага l.

Таблица 13.4

Величина трассы в зависимости от отсечки шага

l, мм L, мм
0,25 1,5; 3
0,8 3; 6
2,5

Следует знать, что полная длина трассы равна 5/3 длины трассы, указанной на кнопках пульта, так как она состоит из предварительного хода и трассы интегрирования.

5. Включите профилометр кнопкой « ».

6. Опустите датчик 4 (рис. 13.7) до положения, при котором стрелка индикатора на пульте управления займет среднее положение.

7. Нажмите кнопку «Пуск». Датчик должен перемещаться по измеряемой поверхности по направлению к приводу. Чтобы убедиться, что привод и датчик правильно установлены относительно измеряемой поверхности, проследите за индикатором на всем пути движения датчика. Стрелка индикатора не должна зашкаливать. Впротивном случае требуется уточнить установку и повторить измерение. После рабочего хода автоматически включается быстрый возврат в исходное положение, а на табло загорается измеренное значение Ra. Если полученное значение может уложиться в меньший предел измерения, следует переключить предел измерения и повторить измерение для получения более точного результата. Если на табло загорелся сигнал перегрузка «Р», следует переключить предел измерения набольший и повторить измерение.

8. Поставить 5–6 опытов, аналогично выполненному в п. 3–4, при возрастающих подачах s=0,1–0,3 мм/об (n=const; R=const) с замером параметров Rz (Ra) и соответствующими расчетами.

9. Поставить 5 опытов, аналогично предыдущим при все возрастающих значениях R (n=const; s =const). Замерить параметры Rz (Ra). Определить расчетную величину неровностей и класс шероховатости.

10. Построить графики зависимости Rz (Ra)=f(V, s, R) и Нр= f(V, s, R).

11. Сделать соответствующие выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы определяют высоту неровностей обработанной поверхности?

2. Почему действительный профиль неровностей обработанной поверхности отличается от теоретического?

3. Роль нароста на режущем лезвии в формировании шероховатости обработанной поверхности.

Наклеп поверхностного слоя при резании металлов

Под наклепом металла следует понимать повышение его прочностных свойств и твердости при его пластическом деформировании.

Первоначальная пластическая деформация металла, образующего поверхностный слой, протекает в зоне стружкообразования, так как начальная граница этой зоны (линия СЕ), как правило, лежитниже линии среза (рис.13. 10). Другой причиной деформации поверхностного слоя (а, следовательно, и упрочнения) является то, что резание металлов осуществляется инструментом, лезвие которого всегда имеет некоторый радиус округления ρ. Для заточенных алмазным кругом резцов радиус ρ может быть в пределах от 3-х до 10 мкм. Для резцов, имеющих износ hз от 0,1 до 0,3 мм, радиус округления составляет 20–60 мкм.

V

Рис. 13.10. К определению наклепа поверхностного слоя

При наличии ρ часть металла выше линии АВ уходит в стружку, а слой металла толщиной Нсж не срезается, а подминается округленной частью резца, подвергаясь упругой и пластической деформации.

Третьей причиной деформации поверхностного слоя является частичное упругое восстановление несрезанного деформированного металла на величину Ну. Это приводит к появлению на задней поверхности инструмента нормальных и касательных сил, а, следовательно, и к дополнительной пластической деформации поверхностного слоя.

Таким образом, металл, образующий поверхностный слой, в процессе резания претерпевает неоднократное пластическое деформирование. Это приводит к изменению всех физико-механических свойств и структуры металла.

Основными характеристиками наклепа являются: степень наклепа N и глубина наклепанного слоя hс.

Степень наклепа определяется по формуле

, (13.7)

где – микротвердость детали непосредственно с поверхности;

Н – микротвердость исходного металла.

В соответствии с изменениями, происходящими в поверхностном слое, глубина наклепанного слоя определяется или по изменению микротвердостипо сечению детали, или рентгеноструктурным методом по изменению характера интерференционных линий на рентгенограммах при послойном стравливании исследуемой поверхности.

Наиболее распространенным методом исследования глубины и степени наклепа в настоящее время является метод измерения микротвердости. Метод заключается в исследовании микротвердости материала (металла) на участке наклонного микрошлифа (рис. 13.11), изготовленного с помощью специального приспособления (рис. 13.12, 13.13). Микротвердость измеряется на микротвердомере ПМТ-3 (ПМТ-5) при различных нагрузках в зависимости от исследуемого материала и глубины наклепа. Измерение, как правило, ведут в направлении от места выхода микрошлифа на поверхность к середине до тех пор, пока микротвердость не стабилизируется. Точка стабилизации микротвердости показывает глубину наклепа hс (рис. 13.14).

Текущее значение величины hi (расстояние от поверхности для данного измерения твердости) подсчитывается по формуле

, (13.8)

где α – угол наклона микрошлифа (1–3º);

li – расстояние от поверхности до точки измерения микротвердости (определяется на приборе ПМТ-3 или ПМТ-5).

Рис. 13.12. Ручное приспособление для изготовления косых срезов: 1 – образец; 2 – пластина; 3 – плунжер; 4 – корпус приспособления; 5 – доводочная плита

Рис. 13.11. Образец

Рис. 13.13. Установка для изготовления

косых срезов

Рис. 13.14. Изменение микротвердости образца по глубине поверхностного слоя

С помощью прибора ПМТ-3 (ПМТ-5) микротвердость поверхностного слоя детали определяется по величине диагонали отпечатка алмазной пирамиды с квадратным основанием и углами при вершине между противолежащими гранями 136° под нагрузкой от 2 до 200 гс. В результате испытания по длине диагонали число твердости подсчитывается по формуле

, (13.9)

где Р –нагрузка на пирамиду, кгс (Н);

F – боковая поверхность отпечатка, мм2;

d – длина диагонали отпечатка, мм.

Рис. 13.15. Микротвердомер ПМТ-3М с МОВ-1-16

Микротвердомер ПМТ-3М (рис. 13.15) предназначен для измерения микротвердости материалов, сплавов, стекла, керамики и минералов методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки.

У микротвердомера ПМТ-3М расширена область применения за счет использования дополнительных сменных наконечников:

- четырехгранной пирамиды Кнуппа с ромбическим основанием для измерения микротвердости тонких поверхностных слоев и особо хрупких материалов;

- трехгранной пирамиды Берковича для измерения микротвердости твердых тел.

Измерение диагоналей отпечатков производят с помощью фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-1-16 с автоматической обработкой результатов измерения или с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-16 .

Управление нагрузками - ручное.

Микроскоп микротвердомера позволяет осуществлять просмотр испытуемого объекта в светлом и темном поле.

  • Основные принципы оценки инновационного проекта
  • CZEPIEC. było, jak go hukne w pysk -
  • Вивчення мікроструктури чавунів з графітними включеннями
  • Замена жидкости гидроприводов тормозов и сцепления.
  • Занятие 10
  • Начальные инструкции
  • Устранение дефектов. Работы по ремонту диафрагм и обойм диафрагм, как правило
  • Грозовой перевал. Эмилия Бронте. 8 страница
  • Программа. Учебная (правовая) практики
  • Вопросы к экзамену по курсу
  • Walking the Dog
  • Study the steps of a scientific investigation and put the paragraphs of the following text into correct order. Be ready to summarize the information.
  • Движение Авиации через области местности
  • МЕСТО И ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ
  • Понятие и признаки гражданства. Соотношение с подданством.
  • В ОБЛАСТИ ТРАВМАТОЛОГИИ
  • Виборча система України. За Законом України "Про вибори народних депутатів України" депутати Верховної
  • Определение понятия, распространенность и кла-ция паразитарных заболеваний.
  • Глава XLVIII. Вельботы спущены
  • Der Wolken und der Sterne Zug belauschen