Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности

Параметр шероховатости поверхности зависит от многих факторов: метода обработки, режимов резания, геометрических параметров и качества поверхностей режущей части инструмента, пластической и упругой деформации обрабатываемого материала, жесткости системы станок—приспособление—инструмент—заго­товка и связанных с ней вынужденных колебаний и вибраций при резании, смазочно-охлаждающей жидкости и др.

Нельзя для всех случаев практики заранее сказать, какие факторы играют главную роль, а какие – второстепенную.

Профессор П. Е. Дьяченко предложил следующую общую формулу, определяющую параметр шероховатости поверхностью:

Rz = Rp + Rпл + Rупр + Rл + Rцар + Rж , (7.9)

где Rp – расчетная высота шероховатости (доля высоты пара­метра шероховатости, вычисленная по продольной подаче); Rпл – доля высоты шероховатости, получающаяся вследствие пластического деформирования материала перед лезвием инструмента; Rупр – доля высоты шероховатости, получающаяся за счет упру­гого восстановления материала после прохода режущего инстру­мента; Rл – доля высоты шероховатости, создаваемая микронеровностью лезвия инструмента; Rцар – доля высоты шероховатости, образованная повреждением отходящей стружки, которая не всегда помещается в промежутках между зубьями многолезвийного инструмента; Rж – доля высоты шероховатости, образуемая за счет недостаточной жесткости технологической системы.

Кроме перечисленных факторов, на образование шероховатости могут оказывать влияние и другие факторы. Поэтому необходимо учиты­вать влияние лишь основных факторов, в значительной степени воздействующих на шероховатость поверхности.

На основании анализа выполненных научно-исследователь­ских работ можно сделать вывод о том, что шероховатость обра­ботанной поверхности представляет прежде всего след рабочего движения части режущей кромки инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом. Высоту этой шероховатости опре­деляют расчетным путем в зависимости от геометрических пара­метров режущей части инструмента (углов в плане – главного (φ) и вспомогательного (φ₁), радиуса (r_в) закругления вершины режу­щего инструмента и подачи.  

Например, при точении возможны частные случаи (рис. 7.5):

1) расчетная высота неровности поверхности (R_Р) образуется целиком закругленным участком режущей кромки (рис. 7.5 а):

R_Р =  , (7.10)

где S_o – подача, мм/об; rв - радиус закругления резца при вершине, мм;

2) (R_Р) образуется вершиной резца, у которой отсутствует ра­диус закругления (rв) (рис. 7.5 б):

R_Р =  . (7.11)

Аналогичные формулы могут быть получены для любых слу­чаев образования расчетной высоты неровности поверхности. При некоторых условиях обработки фактическая шероховатость поверхности определяется ее расчетным значением, а влияние других факторов незначительно.

Наиболее сильное влияние на искажение расчетной высоты неровности поверхности оказывает пластическая деформация. При обработке материалов, которые не дают нароста, влияние пластической деформации на высоту шероховатости объясняется главным образом распространением волны деформации в сторону соседнего следа, а при обработке материалов, дающих нарост, как этой причиной, так и действием вершины нароста, благодаря чему образуются задиры материала на поверхности среза.

Влияние упругих деформаций на параметр шероховатости поверхности является следствием наличия на лезвии любого инст­румента притупления. При взаимном перемещении резца и об­рабатываемой поверхности наличие этого округления вызывает упругое деформирование материала около режущей кромки. Минуя ее, материал заготовки приподнимается и занимает преж­нее положение. Вследствие того, что конфигурация неровности довольно сложная, упругое восстановление материала может про­исходить в разной степени на различных участках обработанной поверхности. Вершина может упруго восстанавливаться больше или меньше, чем впадина, в результате чего происходят некоторые искажения высоты неровности.

Обрабатываемая поверхность формируется режущим инстру­ментом. Поэтому неровности его лезвия в определенной степени копируются на этой поверхности. При определенных условиях этот фактор будет определяющим при формировании шерохова­тости обработанной поверхности (поперечное точение, протягива­ние, цилиндрическое фрезерование и др.).

При выборе или проектировании режущего инструмента, при установлении режимов резания, выборе состава смазочно-охлаждающей жидкости и техники ее подвода в рабочую зону необходимо стремиться к рациональному отводу стружки, так как в противном случае нельзя исключить ее отрицательного воздействия на формирование шероховатости обработанной поверхности.

Деформации и колебательные движения в технологической системе изменяют расчетную вы­соту неровности, меняя, таким образом, расчетный параметр шероховатости.

Отмеченные выше факторы, влияющие на параметр шерохова­тости поверхности, зависят от режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента, жесткости технологической системы, механических свойств обрабатываемого материала и др.

Из параметров режима резания наиболее существенное влия­ние на процесс образования шероховатости поверхности оказы­вают скорость резания и подача.

Путем экспериментальных исследований установлена непосредственная связь между скоростью резания и высотой на­роста материала на резце, от значения и этапов образования кото­рого в значительной степени зависит шероховатость обработан­ной поверхности. На рис. 7.6 показано изменение высоты нароста при изме­нении скорости резания, а на рис. 7.7 – зависимость параметра шероховатости от скорости резания. Приведенные зависимости можно разбить на четыре зоны.

Первая зона соответствует весьма малым скоростям резания (V = 1 м/мин). Она характеризуется тем, что нарост в ней отсутствует, поверхность получается без надиров. Вторая зона соответствует скоростям резания от 1 до 25-30 м/мин. В этой зоне появляется нарост, достигая здесь наиболь­шей высоты. Обработанная поверхность имеет значительный па­раметр шероховатости. Третья зона соответствует скоростям резания от 25-30 до 80 м/мин; она характеризуется исчезновением нароста, при этом параметр шероховатости уменьшается. В чет­вертой зоне скорость резания более 80 м/мин, она характеризуется отсутствием нароста. В этой зоне параметр шероховатости мало отличается от расчетного значения и с изменением скорости ре­зания изменяется незначительно, в основном за счет уменьшения степени пластического деформирования.

Рассмотренный характер зависимости величины шероховатости от скорости резания справедлив не только для точения, но и других видов механической обработки.

Исследования металлов, не обнаруживающих склонности к образованию нароста при обработке их резанием, показали, что параметр шероховатости не зависит от изменения скорости ре­зания, рис.7.8.

На рис. 7.9 показана зависимость параметра шероховатости обработанной поверхности от подачи при точении сталей. Из представленной зависимости видно, что чем больше подача, тем больше степень увеличения параметра шероховатости. Интен­сивность этого приращения увеличивается особенно сильно на участке до величины 0,6-0,7 мм/об, а дальше принимает постоян­ное значение. При малых подачах (S_o ≤ 0,2 - 0,25 мм/об) умень­шение параметра шероховатости с уменьшением подачи весьма незначительно в связи с тем, что чем меньше подача, тем большую роль в формировании шероховатости начинают играть микроне­ровности лезвия инструмента.

Глубина резания оказывает незначительное влияние на величину шероховатости поверхности. Однако изменение глубины резания при малых ее значениях (0,2-0,3 мм) может существенно изменить условия срезания стружки. В таких условиях влияние глубины резания на образование шероховатости поверхности значи­тельно возрастает.

По результатам исследований влияния геомет­рической формы режущего инструмента на параметр шероховатости поверхности можно сделать следующие общие выводы. Передний угол γ, угол наклона режущей кромки λ, задний угол α – могут быть отнесены к второстепенным факторам, влияющим на формирование микропрофиля. Большее значение оказывают радиус закругле­ния при вершине rв, углы в плане – главный φ и вспомогатель­ный φ₁. При увеличении радиуса закругления при вершине rв параметр шероховатости уменьшается. С увеличением углов в плане φ и φ₁ параметр шероховатости поверхности увеличивается. Влияние вспомогательного угла в плане больше, чем главного угла.

Свойства и структура материала также оказывают влияние на шероховатость поверхности.

При увеличении хрупкости материала максимум зависимости Rz = f (v) соответствует высоким скоростям, причем ордината, характеризующая этот максимум, уменьшается – происходит сглаживание кривой Rz = f (v). При резании хрупких материалов зависимость Rz = f (v) не имеет «горба» и выражается горизон­тальной прямой. Стали с повышенным содержанием серы (авто­матные стали) и стали с присадкой свинца после обработки реза­нием имеют меньший параметр шероховатости поверхности, чем углеродистая сталь, обработанная в одинаковых с ними условиях. Применение смазочно-охлаждающей жидкости способствует уменьшению параметра шероховатости поверхности.

На основе экспериментальных данных, производственного опыта установлено влияние различных методов обработки на параметры шероховатости обработанной поверхности. Этот материал приводится в научно-технической литературе по вопросам технологии машиностроения / 27, 29 и др./.

Увеличение скорости резания приводит к увеличению глубины наклепа. Однако при скоростях резания более 200 м/мин глубина наклепа уменьшается, в результате действия высоких температур происходит разупрочнение.

При обработке конструкционных сталей режущим инструмен­том с отрицательным передним углом и при скоростях резания 500-800 м/мин возникают остаточные напряжения сжатия. Увеличение подачи приводит к возрастанию глубины наклепа и остаточных напряжений. Изменение глубины резания существенно не влияет на глубину наклепа.

При увеличении заднего угла α до 3-15° и уменьшении глав­ного угла в плане φ с 90 до 45° глубина наклепа уменьшается.

Обработка поверхностей инструментом с отрицательным перед­ним углом γ 15 ... 45° приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Увеличение радиуса скругления режущей кромки приводит к возрастанию глубины наклепа и остаточных напряжений. С уменьшением твердости обрабатываемой стали увеличивается глубина наклепа.

Остаточные напряжения возрастают при увеличении сопро­тивления деформированию, а также при повышении твердости обрабатываемого материала.