ТЕМА 6. Поліпшення показників якості деталей під час розробки технологічних процесів їх виготовлення

Більшість технологічних процесів по-своєму формує поверхневийшар деталей, яка під час експлуатації повністю визначає процеси старіння та руйнування матеріалу деталі. Це обґрунтовується тим, що поверхневийшар формується під дією різних технологічних чинників, які сприяють не лише творенню необхідної форми поверхні деталі чи зміцнюють властивості її матеріалу, але викликають і побічні, часто негативні явища. В поверхневомушарі відбуваються такі явища як поглинання, зчеплення, прилипання, змочування та інші наслідки взаємодії з навколишнім технологічним середовищем. Тому поверхневийшар за фізико-механічними і хімічними властивостями значно відрізняється від основного матеріалу деталі.

Параметри поверхневогошару характеризують мікрогеометрію та окремі дефекти поверхні, а також напруження, що виникають, структуру, як наслідок пластичної деформації, окислювальних процесів, температурних та інших впливів, структуру прилеглих до поверхні адсорбованих тонких шарів. Поверхневийшар складається з шару 1 підвищеної твердості, яка складається з окисних плівок, з аморфногошару з вологи, газів і забруднень, наклепаногошару 2 з сильно деформованими та спотвореними кристалічними ґратками. Шар 1 має найбільшу твердість, що зменшується у шарах 2,3 і приймає значення НВ основного металу.

Формування поверхневогошару деталей відбувається в зоні різання та контакту оброблюваної поверхні з інструментом за рахунок силового та тепло­вого чинників. На стан поверхневогошару впливають: фізико- хімічні властивості оброблюваного матеріалу та інструменту, геометричні параметри різальної частини інструменту та його конструкція, стан різальних крайок інструменту (ступінь і характер зношування), жорсткість і вібростійкість технологічної системи, кінематика процесу різання, що визначає траєкторію руху різальної частини інструменту відносно деталі, технологічні режими обробки, змащувальні та охолоджувальні середовища та способи їх подачі в зону різання, зовнішні впливи. Поверхневийшар твориться під час протікання складних фізичних і механічних процесів.

Властивості поверхневогошару оброблювальної деталі починають формуватися в зоні випереджальної пластичної деформації перед різальною крайкою інструмента. В міру заглиблення різального леза в оброблюваний метал у ньому збільшуються нормальні напруження, відбувається пластична деформація та зміцнення (по лінії 1 рис. 1). У точці А проходить розділення оброблюваного матеріалу на стружку і поверхневийшар деталі. Ця точка розміщується вище найбільш низької точки задньої поверхні різального клина чи наросту. Тому частина матеріалу, яка розташована нижче точки А, не відходить зі стружкою, а піднімається задньою поверхнею різця, отримуючи додаткову пруж- нопластичну деформацію та зміщення. Після проходження різального інструменту здійснюється деяке пружне відновлення поверхневогошару на величину А..

Рис. 1. Структура поверхневогошару: а - зміна твердості НВ по глибині; б - структура поверхневогошару; в - зміна температури по глибині під час різання та тертя

Під час різання формування поверхневогошару деталей відбувається під дією великих тисків і швидкостей деформації (визначається різновидом обробки і режимами різання), а шар піддається неоднорідній пластичній деформації, що згасає по глибині і супроводжується структурними змінами металу. Зерна дробляться на фрагменти і блоки з їх кутовою розорієнтацією. У поверхні вони дробляться та витягуються в напрямку зусилля деформування, утворюючи текстуру. В атомних ґратках збільшується кількість дислокацій, вакансій та інших дефектів. У випадку пластичного деформування до 10% затрачуваної енергії поглинається металом, з якої до 98% іде на викривлення кристалічної ґратки, збільшуючи тим скриту енергію металу. До моменту, коли поверхневийшар виходить із зони різання та вступає у контакт з задньою поверхнею інструменту, її дислокаційна структура вже сформована. Високі температури разом з тисками створюють передумови активізації адгезійних і дифузійних процесів, у результаті чого можуть ви­никати нові хімічні сполуки, відбуваються перерозподіли легуючих елементів, збіднення металу легуючими елементами (обезвуглеводження, збіднення хромом, алюмінієм). Таким чином, оброблювана поверхня за своїми властивостями гетерогенна. На рівні атомів можна спостерігати тераси, сходинки, петлі з неоднорідних точкових дефектів і виходів дислокацій. Ділянки з різною субструктурою мають різні хімічні властивості. На це все накладається імовірний характер впливу випадкових чинників, імовірний розвиток пластичних деформацій та структур, локальні вогнища підвищеної щільності дислокацій, випадковий характер розташування зерен металу, напрямків їх кристалографічних площин, розпад дефектів кристалів і їх скупчень і т.д. Тому навіть при постійних режимах різання і різального інструменту характеристики мікрорельєфу оброблюваної поверхні, деформаційного зміцнення, напруженого стану поверхневої варстви будуть випадковими величинами.

Після обробки у поверхневомушарі деталі залишаються залишкові напруження, які виникають внаслідок таких причин:

1. Діїсилового поля, що виникає при обробці деталі, викликає нерівномірну локаль­ну пластичну деформацію окремих ділянок металу і призводить до пластичного витягування окремих волокон в одному напрямку та їх стискування в другому. Ця пластична деформація після закінчення про­цесу різання викликає появу залишкових напружень різного знаку.

2. Виникнення під час обробки деталей різанням пластичної деформації поверхневийшар, який супроводжується наклепуванням металу та збільшенням його питомого об'єму. Поверхневийшар складається з тонкого наклепаного зовнішньогошару та нижньогошару недеформованого металу зі своїм нормальним питомим об'ємом.

Тепло, яке виникає під час різання, призводить до високого миттєвого нагрівання тонких поверхневих шарах металу, знижуючи їх модуль пружності. Наступне швидке охолодження поверхневогошару супроводжується їх стисненням, чому перешкоджають нижні, що залишилися холодними. В силу цього у зовнішніх шарах металу розвиваються залишкові напруження розтягування, а у нижніх — врівноважуючі їх напруження стискування.

Якщо проводиться обробка металів, схильних до фазових перетворень, то нагрівання в зоні різання викликає структурні зміни, зв'язані з об'ємними змінами металу. При цьому в утвореній структурі з більшим питомим об'ємом розвиваються залишкові напруження стискання, а у шарах з структурою меншого питомого об'єму — розтягування.

У більшості випадків всі чотири причини діють сумісно і кінцевий розподіл залиш­кових напружень по глибині поверхневогошару має досить складний характер, а їх величина, знак і глибина визначаються методами і режимами обробки. При цьому збільшення силового поля при різанні призводить до росту залишкових напружень стискування. Підвищення температури нагріву поверхневогошару і збільшення теплової дії викликає залишкові напруження розтягу. Фазові перетворення викликають певну величину і знак залишкових напружень, які визначаються повнотою протікання структурних змін і співвідношення питомих об'ємів структурних складових суміжних шарах поверхні деталі. Велике значення для формування залишкових напружень мають також хімічний склад металу та його здатність до структурних змін, пластичність, пружність, теплопровідність та інші фізико-механічні властивості.

Фізико-механічні властивості поверхонь деталей виробів формуються під час технологічного процесу їх виготовлення і повністю визначають наступну експлуатацію. Поверхневішари деталі характеризується деформаційними змінами, наслідком яких є її деформаційне зміцнення (наклепування). Кожний технологічний процес має свої особливості, але в основі його завжди лежить незворотній неоднорідний розподіл деформацій по об'єму деталі.

Макронапруження поверхневогошару деталі після її формування під час технологічного процесу є наслідком дії двох чинників — механічного (пластичне деформування) та теплового (нагрів поверхневогошару). Напрямок і величина силового поля, співвідношення напружень від механічного та теплового впливу великою мірою виз­начає величину мікронапружень і їх знак, тобто стискання чи розтягування. Фізико- механічні властивості поверхневої варстви залежать від виду обробки і умов її прове­дення. Так, степінь наклепу при звичайному точінні досягає 120... 150%, точному точінні — 140... 180%, фрезеруванні — 120... 160%, свердлінні — 160... 170%, круглому шліфуванні — 125...200%, плоскому шліфуванні — 150%. Глибини наклепу на вказані види обробки деталей становлять відповідно: 30...50, 20...60,40... 100, 180...200, 20...60 та 16...35 мкм.

Методи пластичного деформування наклепування роликами і кульками, вібраційне накатування, обробка шротом, шротоабразивна обробка, чеканка, віброгартування, гідрополірування та інші — мають велике значення в забезпеченні фізико-механічних властивостей поверхні деталей. Ефективність зміцнення залежить від чутливості мета­лу до наклепування. Так, твердість поверхневої варстви при обробці деталей зі сталі збільшується на 45%, чавуну — 30...60%, силуміну — 50%, латуні — на 60%. При цьому глибина наклепу для м'яких матеріалів становить 0,8... 3 мм, а для середньої твердості — 0,3...8 мм. Електромеханічна обробка також значно підвищує твердість поверхневих шарах деталей у 1,5...2 рази. Ця обробка базується на пластичному деформуванні та термічній обробці і створює технологічний бар'єр для здійснення впливу окремих факторів на кінцеві властивості деталей.

Вплив технологічних чинників обробки різанням на фізико-механічні властивості поверхні деталей такий. В міру збільшення швидкості різання глибина наклепу збільшується. У випадку високих швидкостей 200...600 м/хв. виникає явище розміцнення, яке зменшує глибину наклепування. Під час обробки легованих і високоміцних сталей, що мають низькі пластичні властивості, залишкові напруження стиску утворюються, якщо швидкість становить 400...600 м/хв. При обробці конструкційних сталей залишкові напруження стиску виникають лише тоді, коли швидкість 500...800 м/ хв. і від'ємні передні кути різців. У разі збільшення подані зростають глибина наклепування та залишкові напруження. Глибина різання не виявляє впливу на глибину наклепування, зате механічні властивості матеріалу деталі такому впливу підлягають. 3 підвищенням твердості оброблюваного матеріалу зменшується об'єм, який пластично деформується. Чим м'якша сталь, тим глибше поширюється пластична деформація. Залишкові напруження зростають у разі збільшення опору деформації при підвищенні твердості.

На фізико-механічні властивості поверхонь деталей значний вплив має і різальний інструмент. Так, від'ємний передній кут різця (-15°...-45°) сприяє утворенню у поверхневомушарі залишкових напружень стискування. При збільшенні заднього кута в межах 3... 15° глибина наклепування зменшується. Зменшення головного кута в плані від 90° до 45° також зменшує глибину наклепування. Застосування інструменту з високою шорсткістю різальної крайки зменшує глибину наклепування, а збільшення радіуса заокруглення різальної крайки — збільшує наклепування та залишкові напруження.

До технологічних методів зміцнення поверхні деталей пластичним деформуванням відносяться також ультразвукове зміцнення, зміцнення мікрошарошками, центробіжна обробка, алмазне вигладжування, обробка деформуючим протягуванням і обробка обертаючими металевими щітками.

Основні методи технологічного забезпечення якості поверхонь деталей включають також обробки: термічну, електронно-променеву, хіміко-термічну, електроерозійну, іонну та електронну, нанесення покрить. Різновидами поверхневої термообробки є гартування з нагрівом ТВЧ і газовим полум'ям. Товщина загартованого шару складає 0,2... 10 мм, а твердість НRС 40...70. Електронно-променева обробка забезпечує одержання поверхневогошару 0,1... 100 мкм зі структурно-фазовим станом, який має високу твердість і зносостійкість. Хіміко-термічна обробка проводиться шляхом хімічного та термічного впливу навколишнього середовища на поверхневийшар з метою одержання якісно нового модифікованого фізико-хімічного стану. В основі цієї обробки лежать дифузійні процеси формування фазового та хімічного складу поверхневогошару. Це азотування, цементація, ціанування, алітування, борування, карбонітрація і т.д.

Лазерна обробка поверхонь деталей виконується за допомогою технологічного лазера і має на меті: термообробку поверхневогошару (відпуск, відпал, гартування), оплавлення поверхні для зменшення шорсткості чи аморфізації металу з випаровуванням компонентів для очищення чи ударного зміцнення поверхні. В лазерному промені (імпульсне чи неперервне випромінювання) концентрується велика енергія з щільністю потужності до 10¹⁸ ВТ/см² і характер протікання фізико-хімічних процесів визначається енергетичними характеристиками лазерного випромінювання. В основі лазерного зміцнення лежить миттєвий нагрів матеріалу поверхневогошару деталі до певної температури. Порівняно з термозміцненням і пластичним деформуванням лазерна обробка збільшує мікротвердість на 50... 100%, а глибину поверхневогошару — в 2...3 рази. Лазерне зміцнення підвищує зносостійкість, втомну міцність, теплостійкість, жароміцність, корозійну стійкість.

Під час електроерозійної обробки руйнується поверхневийшар під дією імпульсних електричних розрядів у газовому чи рідкому середовищі і спостерігається полярне перенесення матеріалу аноду (інструменту) на катод (заготовку). За такої обробки по­верхня електроду піддається дії високих температур (5...7 • 10³К) і тисків (2...7 • 10⁶Па). У поверхневомушарі проходять мікрометалургійні процеси (дифузія з хімічною взаємодією), а в зоні дії іскрового розряду — фазові перетворення з одержанням дрібно­зернистої структури з високою гетерогенністю.

Іонна та електронна обробки характеризуються локальністю, високою хімічною частотою, широкими технологічними можливостями і повною можливістю автоматизації. Обробка полягає у бомбардуванні важкими іонами (атом, позбавлений всіх або частини електронів) поверхні деталі, які міняють властивості кристалічної гратки металу, тобто хімічний склад. Обробка потоками заряджених частинок дає можливість направленої зміни стану поверхневогошару деталей. Розрізняють іонно-плазмову та іонно-променеву обробки, які використовуються для нанесення зносостійких покриттів, підвищення корозійної стій кості, втомлювальної міцності, радіаційної стійкості. Товщина модифікованої шару після іонного легування досягає 0,01...10 мкм, а мікротвердість збільшується на 15...30%.

Нанесення покриттів на поверхні деталей здійснюють катодним відновленням, анодним окисленням, хімічним, гарячим, дифузійним і термічним напилюванням, вакуумним, контактним, контактно-механічним способами, катодним розпилюванням, емалюванням, плакуванням, осадженням з розчинів і розплавів, водневим відновленням галогенідів металів, детонаційним або газополум'яним напилюванням, вакуумноплазмовим чи магнетронним розпилюванням, електронно-дуговою металізацією, електронно-променевим випарюванням у вакуумі. Для міцності зчеплення покрить з основним металом суттєве значення має мікрогеометрія поверхні деталі, причому збільшення шорсткості підвищує міцність зчеплення покриття з поверхнею. Тому для кожного типу покриття встановлюється оптимальна шорсткість. На якість покриття впливають залишкові напруження та наклепування на поверхні деталі. Найбільш широко застосовуваними способами нанесення покрить є наплавлення та напилювання.