При внедрении вершины абразивного зерна в обрабатываемый металл волны пластического деформирования, охватывают не только срезаемый слой, но и металл, расположенный как впереди по ходу движения инструмента, так и за линией среза.
Металл вновь образованной поверхности у самой режущей кромки абразивной частицы подвергается воздействию нормальной сжимающей силы и силы трения, действующей в направлении линии среза. Нормальная сила вызывает деформацию сжатия, а сила трения – деформацию растяжения в поверхностном слое обрабатываемого материала. Таким образом, в процессе микрорезания поверхностный слой обрабатываемой детали подвергается неоднородной пластической деформации, затухающей по глубине слоя, в результате чего обрабатываемая поверхность упрочняется.
Величина наклепа зависит от степени пластической деформации его поверхностного слоя, на которую в свою очередь влияют продолжительность воздействия внешних деформирующих сил и пластические свойства деформируемого материала. Поэтому чем выше скорости пластического деформирования поверхностного слоя, тем меньше степень упрочнения поверхностного слоя. Значение микротвердости поверхностного слоя деталей оказывает большое влияние на их эксплуатационные свойства: износостойкость поверхностей при трении, усталостную прочность, контактную выносливость и коррозионную стойкость.
Различно объясняя физическую сущность процесса износа, различные авторы высказывают единое мнение о большом влиянии микротвердости поверхностного слоя на износостойкость поверхностей при трении.
Б.И. Костецкий считает, что основным видом износа металлов является окислительный [1]. При пластическом деформировании во время наклепа увеличивается диффузия кислорода в металл трущихся поверхностей с образованием твердого раствора кислорода в металле. При предельном насыщении металла кислородом образуются однородные химические соединения с высокой твердостью и хрупкостью, которые уменьшают интенсивность изнашивания.
Несколько иной подход к физической сущности процесса трения дается в работе И.В. Крагельского [2], где взаимодействие трущихся поверхностей подразделяется на два вида: механическое взаимодействие (внедрение) и молекулярное (притяжение, схватывание). Отмечается, что молекулярное взаимодействие сопутствует механическому и степень их взаимного проявления зависит от конкретных условий изнашивания. Но для снижения износа необходимо уменьшить взаимное внедрение трущихся поверхностей и ограничить молекулярное взаимодействие для предотвращения схватывания. С этой точки зрения повышение микротвердости в результате наклепа при абразивной обработке способствует уменьшению взаимного внедрения и контактного схватывания, то есть увеличивает износостойкость трущихся поверхностей.
Износостойкость упрочненных наклепом трущихся поверхностей зависит не только от исходной микротвердости, но и от конкретных условий эксплуатации. Наклеп оказывается более эффективным в трущихся деталях при эксплуатации их с небольшими скоростями скольжения и нормальными давлениями. При высоких скоростях скольжения и больших давлениях наклеп незначительно влияет на износостойкость деталей, а в отдельных случаях (при работе в особо тяжелых условиях) может и снижать ее.
Количественной связи микротвердости с износостойкостью пока не установлено. Как подчеркивает А.А. Маталин [3], установить такую универсальную связь весьма сложно, так как резко отличаются условия испытаний материалов на твердость и условия износа деталей при трении. Так, при испытании металла на твердость вдавливанием алмазной пирамиды учитывается только пластическая деформация при статическом действии внешней нагрузки. При износе же имеют место пластическая и упругая деформации, окисление, молекулярное сцепление, скалывание, срез и усталостное разрушение при сочетании статической и динамической нагрузок. Упрочнение металла в результате наклепа при механической обработке оказывает большое влияние на усталостную прочность деталей машин. При этом наклепанный поверхностный слой детали препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин.
Характер деформации обрабатываемого материала при абразивной обработке зависит от соотношения глубины резания t и радиуса скругления вершины абразивного зерна r. От соотношения данных величин зависят значения переднего угла резания γi и фактического угла резания δi [4]:
,
,
где ti – толщина снимаемого слоя в некоторой точке i.
С ростом значений данных углов эффект резания уменьшается, а степень пластической деформации обрабатываемого материала увеличивается.
В соответствии с исследованиями И.В. Крагельского переход от пластического деформирования к резанию происходит при выполнении следующего условия
,
где τ – прочность на срез адгезиозной связи; σТ – предел текучести металла.
При малых величинах глубины резания помимо пластического всегда имеет место и упругое деформирование поверхности обрабатываемого металла.
В работе М.М. Тененбаума [5] приводится критическое соотношение для перехода от упругого к пластическому деформированию материала
>
,
где Е – модуль упругости.
В работе [6] приведены следующие соотношения, устанавливающие зависимость перехода от одного вида разрушения обрабатываемого материала к другому при соотношении глубины резания и радиуса скругления вершины абразивного зерна: t/r ≥ 0,5 – процесс микрорезания; 0,01 < t/r < 0,5 – процесс пластического деформирования; t/r < 0,01 – процесс упругого деформирования.
Проанализируем влияние факторов абразивной обработки на степень деформации обрабатываемого материала. Радиус скругления единичного абразивного выступа находится в прямой зависимости от размеров абразивного зерна. Таким образом, рост размеров зерна увеличивает величину фактического угла резания, вследствие чего возрастает степень пластического деформирования обрабатываемого материала. Глубина внедрения абразивного выступа в поверхностный слой при заданном радиусе скругления вершины зерна определяется нормальной нагрузкой и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Нормальная сила контактного давления абразивной частицы на обрабатываемую поверхность увеличивается с ростом значений следующих факторов: относительной скорости перемещения абразивного зерна, угла атаки, размеров абразивных частиц [7]. Таким образом, справедливо предположить, что рост значений каждого из вышеперечисленных факторов увеличивает степень пластической деформации обрабатываемого материала.
Зависимость между технологическими параметрами процесса абразивной обработки и глубиной упрочненного слоя, которая играет решающую роль в эффективности процесса упрочнения деталей, представляет большой практический интерес. Зная эту зависимость, можно сознательно регулировать и изменять величину наклепа поверхностного слоя деталей, варьировать его параметры, добиваться оптимальных условий наклепа.
М.М. Савериным [8] была установлена зависимость глубины упрочненного слоя при дробеструйном наклепе от технологических параметров обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала. В частности им было установлено, что глубина и степень наклепа прямо пропорциональна скорости дроби, ее диаметру, синусу угла атаки и обратно пропорциональна квадратному корню из твердости обрабатываемого материала. Несмотря на существенные различия в процессах взаимодействия с обрабатываемой поверхностью дроби и абразивных частиц, аналогичные зависимости наблюдаются и при абразивной обработке [9].
Изменение режимов обработки, ведущее к увеличению силы нормального давления уплотненного абразивного потока на обрабатываемую поверхность при центробежной обработке приводит к возрастанию деформационного упрочнения поверхностного слоя. Основное влияние на величину силы нормального давления при отделочной обработке в поле центробежных сил оказывают следующие факторы: относительная скорость перемещения уплотненного потока рабочей среды, зернистость абразивного материала, угол атаки.
Увеличение относительной скорости абразивной частицы приводит к росту ее кинетической энергии, а также силы контактного давления на обрабатываемую поверхность, что увеличивает степень пластической деформации обрабатываемого материала.
Увеличение размеров абразивного зерна приводит к росту степени наклепа поверхностного слоя. Это происходит по двум причинам. Во-первых, с ростом размеров абразивного зерна растет кинетическая энергия абразивной частицы. Во-вторых, с ростом размеров абразивного зерна уменьшается острота режущих граней, что, приводит к снижению глубины внедрения частицы в поверхностный слой обрабатываемой детали, вследствие чего увеличивается степень пластической деформации металла.
С ростом угла атаки происходит увеличение нормальной и уменьшение касательной составляющей силы контактного давления, вследствие чего снижается вероятность микрорезания. Полезная работа, совершаемая абразивной частицей, с ростом угла атаки в большей степени затрачивается на деформационное упрочнение поверхностного слоя.
В работе [10] приведены результаты экспериментальных исследований влияния вышеперечисленных факторов на степень деформационного упрочнения и глубину наклепа. Исследования проводились на экспериментальной установке с возможностью варьирования в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров, позволяющей реализовать центробежный способ отделочной обработки [11].
Выводы
Значения степени и глубины наклепа определяются механизмом взаимодействия абразивной частицы и обрабатываемой поверхности, который зависит от технологических режимов обработки и физико-механических свойств материала детали.