Июл 15, 2020
С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, член-корр. РАПК
Доводка относится к самому тонкому и высококачественному технологическому процессу финишной обработки. Она позволяет получать поверхности деталей самой высокой точности с минимальными погрешностями формы, минимальной шероховатостью и высокими качественными характеристиками поверхностного слоя.
Так, например, при тонкой доводке плоскопараллельных концевых мер длины с использованием притиров, шаржированных микропорошками М2–М1, обеспечивается отклонение от плоскостности в пределах 0,05–0,10 мкм, а шероховатость доводимых поверхностей Rа = 0,05–0,025 мкм. Далеко не во всех случаях требуются такие высокие качественные характеристики. Большинство же соединений в машино- и приборостроении не требуют обработки деталей с такими высокими характеристиками. Более низкие характеристики обеспечиваются технически проще и за счет меньшего числа доводочных операций. Так, в условиях массового производства при рекомендованных выше режимах доводки, при использовании суспензий и паст на основе любого абразивного материала зернистостью М5–М7 обеспечивается следующее значение шероховатости поверхностей:
при плоской доводке – Rа = 0,04–0,05 мкм;
при доводке наружных цилиндрических деталей – Rа = 0,032–0,04 мкм;
при доводке цилиндрических отверстий – Rа = 0,05–0,06 мкм;
при доводке конических отверстий – Rа = 0,05–0,08 мкм.
Отклонения геометрической формы при этих условиях не превышают 1–2 мкм.
Применение шаржированных притиров при той же зернистости обеспечивает более высокие характеристики по шероховатости и меньшие отклонения геометрической формы.
Шероховатость обработанной при доводке поверхности еще не дает полной характеристики ее работоспособности. При одной и той же шероховатости эксплуатационные свойства деталей могут быть различными и они в большей степени определяются физико- механическими характеристиками поверхностного слоя.
Ранее предполагали, что физико-механические характеристики поверхностного слоя деталей при обработке – микротвердость, остаточные напряжения, наклеп, поверхностная энергия, цельность поверхности, структура металла и другие формируются только на последней, заключительной, т.е. финишной операции механической обработки детали. В настоящее время установлено, что отдельные из физико-механических характеристик поверхностного слоя «унаследуются» от предыдущих операций механической обработки, а на финишной обработке они могут трансформироваться или, при оптимальных технологических режимах выполнения ее, устраняться, или сводиться к минимуму в количественном выражении. Явление «унаследования» называют технологической наследственностью и учитывают при проектировании финишных операций механической обработки.
Наиболее важными физико-механическими характеристиками поверхностного слоя являются микротвердость и остаточные напряжения. Они объективно возникают в поверхностном слое при механической обработке и имеют свою природу возникновения.
При обработке деталей резанием под действием прилагаемых усилий в поверхностном слое металла происходит его упругопластическое деформирование. Пластическая деформация распространяется на определенную глубину и сопровождается скольжением, т.е. перемещением отдельных частей кристаллов по определенным кристаллографическим плоскостям. Процесс скольжения начинается тогда, когда возникают критические сдвигающие напряжения, достаточные для его начала. Пластической деформации предшествует упругая деформация металла. При пластической деформации одни зерна перемещаются относительно других и в граничном слое они вытягиваются в направлении действия силы резания. Ориентировка зерен, вытянутых в направлении деформации, называют текстурой.
При пластическом деформировании происходит возникновение и концентрация дислокаций около линий сдвигов. Поскольку дислокации окружены полями упругих напряжений, то для последующих пластических деформаций потребуется значительно большее напряжение, чем в недеформированном металле. Это связано с необходимостью преодоления сопротивления полей напряжений. Поэтому при резании пластическая деформация вызывает наклеп поверхности, за счет чего последняя упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность.
При наклепе происходит снижение электропроводности, теплопроводности и уменьшение плотности металла, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклепанном металле.
В общем случае с увеличением сил и продолжительности их воздействия возрастает пластическая деформация поверхностного слоя металла, а следовательно увеличиваются степень упрочнения поверхностного слоя и глубина наклепа. Вместе с тем установлено, что возможности упрочнения металла за счет его наклепа ограничены и при чрезмерном пластическом деформировании может образоваться «перенаклеп» металла, что приведет к его разупрочнению. Разупрочнение происходит при исчерпании кристаллов металла возможности упрочняться. При этом наблюдаются его разрыхление, появление трещин, отслаивание и т. д.
Наклеп в поверхностном слое приводит металл в структурно- неуравновешенное состояние, вызванное неодинаковым распределением внутренних напряжений между отдельными зернами и участками металла.
В этих условиях возникает явление «отдыха», т. е. стремление металла к возвращению в первоначальное, ненаклепанное состояние. Явлению возврата способствует упругая деформация наклепанного металла, а также повышенная температура в зоне резания при обработке.
В связи с этим при обработке деталей процессы упрочнения и разупрочнения поверхностного слоя могут происходить одновременно и конечные результаты будут зависеть от вида обработки, режимов и конкретных условий выполнения операции.
Принято условно все технологические процессы механической обработки делить на «горячие» и «холодные».
В горячих технологических процессах поверхностный слой нагревается до высоких температур и разупрочнение происходит более интенсивно, микротвердость повышается в меньшей степени.
В холодных технологических процессах разупрочнение меньше и микротвердость поверхностного слоя повышается в процессе механической обработки значительно.
Остаточные напряжения в поверхностном слое возникают в процессе механической обработки и остаются в нем после устранения температурных и силовых факторов. Одной из причин возникновения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей является пластическое деформирование металла при обработке.
При пластическом деформировании уменьшается плотность и возрастает объем поверхностного слоя металла, а поскольку он связан с нижележащими недеформированными слоями металла, то в процессе обработки в наружном слое возникает сжимающие, а в нижележащем прилегающем слое – растягивающие остаточные напряжения. Такого знака остаточные напряжения будут в поверхностном слое в холодных технологических процессах механической обработки.
В горячих технологических процессах причиной возникновения остаточных напряжений является локализированный нагрев тонких поверхностных слоев в зоне резания с возникновением в них остаточных напряжений растяжения в результате быстрого последующего охлаждения металла.
Другой причиной возникновения остаточных напряжений является фазовые превращения в поверхностном слое металла, приводящие к образованию в них различных структур, обладающих различной плотностью и объемом.
Так, например, при шлифовании стали ШХ15 и других высоколегированных сталей после их закалки часто на поверхности образуется два поверхностных слоя с различным структурным состоянием по сравнению с основной сердцевиной детали.
Наружный слой – зона вторичной закалки, представляющий собой аустенитно-мартенситную структуру слаботравящегося белого слоя.
Нижний слой – зона скоростного высокотемпературного отпуска, – состоящий из феррита, остаточного аустенита и цементита. Структура этого слоя обладает повышенной травимостью.
Наружный белый поверхностный слой имеет повышенную твердость по сравнению с сердцевиной. Нижний слой отпущенный имеет меньшую твердость по сравнению с сердцевиной. Установлено, что наружный слой имеет толщину 10 мкм, а нижний – 100 мкм.
При шлифовании таких деталей в поверхностных слоях происходят структурные превращения, при которых меняются параметры кристаллических решеток и меняется микротвердость, а также возникают остаточные напряжения от трансформации объемов в этих слоях.
Из изложенного следует, что физико-механические характеристики поверхностного слоя меняются от поверхности в глубь металла и при финишных операциях необходимо назначать такой припуск на обработку, чтобы снять нежелательный или дефектный поверхностный слой или, наоборот, его сохранить. Так, например, если деталь в процессе эксплуатации испытывает циклические и знакопеременные нагрузки, от которых зависит усталостная прочность деталей, то наружный отбеленный слой необходимо удалять при финишной обработке. Если же деталь работает на износ в условиях трения, то этот слой целесообразно оставить.
Доводочные операции относятся к низкотемпературным, а следовательно, при их выполнении поверхностный слой упрочняется и в нем возникают сжимающие напряжения.
Это положение справедливо, если детали, поступающие на доводку, не имели наследственных последствий от предыдущих операций механической обработки.
Если же предшествующие операции сформировали определенные физико-механические характеристики поверхностного слоя, то они окажут влияние на характеристики поверхности.
Итоговые физико-механические характеристики будут зависеть от параметров и режима проектируемой операции доводки.
При удалении дефектного слоя на операции предварительной доводки на последующих операциях обеспечивается повышение микротвердости поверхностного слоя по сравнению с сердцевиной на 20–30%, а в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения, достигающие 2–4 МПа с глубиной залегания до 10 мкм.
В зависимости от условий и технологических режимов доводки поверхность доведенных деталей может быть матовой или блестящей, т.е. с различной отражательной способностью.
На качество поверхностного слоя при доводке оказывает существенное влияние шаржирование мелких абразивных частиц в металл, которое в ряде случаев ограничивается или не допускается техническими условиями. Наибольшей способностью к шаржированию обладают алмазные частицы. Так, при доводке алмазным порошком АСМ1/0–АСМ2/1 алмазные частицы внедряются на глубину до 0,5 мкм, а при доводке порошком АСМ 40/28 – на глубину до 4 мкм. Частицы чаще всего внедряются во впадинах или на кромках отдельных глубоких рисок.
Для очистки поверхностей от шаржированных абразивных частиц применяют методы механической очистки и мойку в специальной моющей среде.
Точность размеров и формы деталей при доводке зависят от технологических режимов и условий доводки, а также от износа притиров и их своевременной и качественной правки.
Так, например, установлено, что стабильное качество доводки плоских деталей и сохранение исходной формы рабочей поверхности притира зависят от величины и закона изменения скорости перемещения деталей по притиру. Было выделено три стадии износа притиров в процессе доводки:
первая – период кинематического износа;
вторая – период приработки рабочих поверхностей притиров друг к другу;
третья – период неравномерного изнашивания приработанных рабочих поверхностей.
Разработаны различные методы изготовления и правки притиров, а также контроля их качества. При правке шаржированных притиров она выполняется в два этапа – предварительная и окончательная. Окончательная правка предусматривает одновременно и шаржирование абразивных частиц в рабочую поверхность притира.