Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 12
1.1 Анализ исследований влияния параметров наклёпа поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин 14
1.2 Анализ исследований по расчётному определению степени и глубины наклепа в поверхностном слое деталей после механической обработки 23
1.3 Природа скрытой энергии деформации и ее влияние на эксплуатационные свойства деталей машин 34
1.4 Оценка качества поверхностного слоя деталей путем оптимизации операций механической обработки на основе энергетических критериев 53
1.5 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 59
Глава 2. Основные положения эшргетическои оценки состояния и свойств поверхностного слоя материалов при их пластической деформации 62
2.1 Поиск закономерностей поглощения металлом энергии при его пластическом деформировании 62
2.2 Взаимообусловленность кривых скрытой энергии деформации и деформационного упрочнения 69
2.3 Влияние температуры на способность металлических материалов запасать энергию при их пластической деформации 88
2.4 Скрытая энергия при пластической деформации сталей и сплавов 94
2.5 Выводы по главе 2 100
Глава 3. Материалы, методы и методики эксгоришнтажных исследований 102
3.1 Материалы для исследований 103
3.2 Описание экспериментальных методов воздействия на материал 104
3.2.1 Вдавливание шарового индентора на прессе Бринелля 104
3.2.2 Параметры процесса шлифования и методика измерения сил резания при плоском шлифовании периферией круга 105
3.3 Методы экспериментального исследования состояния поверхностных слоев материала после обработки 112
3.3.1 Методика определения микротвердости поверхностных слоев 113
3.3.2 Метод определения упрочнения по глубине поверхностного слоя 114
3.3.3 Методика проведения дифференциального термического анализа 119
3.4 Выводы по главе 3 123
Глава 4. Анализ и обсуждение результатов экспериментальных исследований доли скрытой энергии в общей работе деформации 124
4.1 Доля скрытой энергии в общей работе деформации при вдавливании шарового индентора на прессе Бринелля 124
4.2 Результаты исследования доли скрытой энергии деформации в общей работе шлифования 140
4.2.1 Анализ измерений сил резания 140
4.2.2 Анализ параметров наклепа и скрытой энергии деформации в поверхностном слое металлических материалов 146
4.3 Выводы по главе 4 170
Глава 5. Разработка практических рекомендаций по назначению режимов плоского шлифования для обеспечения показателей качества поверхностного слоя 173
5.1 Методика оптимизации режимов шлифования по результатам исследований 173
5.2 Выводы по главе 5 180
Общие выводы по работе 181
Список использованных источников 183
Приложение 198
- Анализ исследований по расчётному определению степени и глубины наклепа в поверхностном слое деталей после механической обработки
- Взаимообусловленность кривых скрытой энергии деформации и деформационного упрочнения
- Параметры процесса шлифования и методика измерения сил резания при плоском шлифовании периферией круга
- Анализ параметров наклепа и скрытой энергии деформации в поверхностном слое металлических материалов
Введение к работе
Чтобы разработать надёжные и эффективные методы сознательного управления качеством поверхностного слоя деталей при механической обработке, необходимо знать общие закономерности протекания изучаемых процессов и иметь обобщённые аналитические зависимости между характеристиками качества поверхностного слоя и технологическими параметрами процесса механической обработки. Принципиально возможны три метода обеспечения качества механической обработки [86]:
общепринятый - постановка лабораторных исследований по выявлению зависимостей между параметрами качества и режимами обработки в условиях, максимально приближенных к производству, оптимизация режимов механической обработки на ЭВМ в вычислительных центрах, передача результатов оптимизации в производственные цеха и использование их при наладке технологического оборудования;
нетрадиционный - постановка экспериментов непосредственно, например на станке с ЧПУ в процессе его наладки, оптимизация режимов обработки встроенной в оборудование специализированной ЭВМ и автоматизированная наладка станка с ЧПУ по командам этой ЭВМ;
наиболее перспективный - технологическое обеспечение качества механической обработки на основе математического моделирования процессов формирования параметров состояния поверхности.
Достоинства и недостатки первых двух методов очевидны. Достоинства третьего метода таковы:
- обеспечивается лучшее понимание, прогнозирование и управление
процессом формирования качества поверхности;
- отпадает необходимость в большом числе экспериментальных
исследований;
появляется возможность проведения многокритериальной оптимизации режимов механической обработки;
- обеспечивается значительная экономия материальных средств и
времени на стадии технологической подготовки производства;
- представляется возможным создание систем автоматизированного
проектирования технологических процессов механической обработки.
Обеспечение показателей качества поверхностного слоя на этапе механической обработки во многом определяется успехами в решении проблемы исследования поверхности. Уровень знаний о структуре, составе и свойствах свободных поверхностей и поверхностей раздела, о процессах и явлениях, протекающих на этих поверхностях и составляющих содержание фундаментальных проблем физикохимии поверхности, обуславливает возможность успешного развития прикладных исследований по разработке и созданию новых приборов, машин, механизмов и важнейших технологических процессов, что, в свою очередь, решающим образом сказывается на развитии современной техники.
Практически любое воздействие исследователя, а также внешней среды на материал при его получении и механической обработке передается через свободную поверхность твердого тела, поэтому поверхностные слои в большинстве случаев определяют поведение и свойства всего объема материала, его эксплуатационные характеристики. Анализ литературных данных, полученных за последние десятилетия, свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Специфическое поведение поверхности в процессах пластической деформации при различных способах упрочнения материалов уже давно привлекает внимание многих исследователей.
Однако несмотря на длительное время исследования этого вопроса, а также большие успехи, достигнутые физикой прочности и пластичности с использованием аппарата теории дислокаций и современных металл о физических методов исследования, особенности поведения поверхностных слоев в процессе макроскопического деформирования
10 остаются еще до конца не решенными. Проведенные к настоящему времени
исследования и существующие по этому вопросу публикации все еще не дают
достаточно точных сведений о физических закономерностях поведения
поверхностных слоев при различных способах воздействия на материал. Одна
из главных причин подобной ситуации заключается в отсутствии
обобщающих систематических исследований в этой области для широкого
класса материалов с различным типом межатомной связи и кристаллической
структуры и главное - в отсутствии четких физически обоснованных
представлений об основных причинах и факторах, обусловливающих то или
иное поведение поверхности в процессе воздействия на нее.
В настоящей работе поставлена задача установления основных физических закономерностей изменения скрытой энергии деформации поверхностных слоев твердого тела при пластической деформации. Работа посвящена поиску способов достижения показателей качества поверхностного слоя деталей, которые определяют работоспособность изделия при его эксплуатации. В работе явление пластической деформации изучено на основе физики процесса с использованием основных положений теории дислокаций. В ходе анализа существующих и собственных экспериментальных исследований получены данные, позволившие обнаружить закономерности изменения скрытой энергии деформации в зависимости от различных факторов. В результате исследований сформулирован энергетический критерий, на основе которого разработаны научно-обоснованные практические рекомендации по назначению режимов шлифования.
Выполнение работы было бы невозможно без грамотного и внимательного научного руководства со стороны д-ра техн. наук, профессора Вячеслава Феоктистовича Безъязычного, который проявил безграничное терпение к аспиранту.
Особую признательность хочется выразить научному консультанту, замечательному ученому - Драпкину Борису Михайловичу за его глубокий и искренний интерес к работе и умение прощать научные ошибки аспиранта.
Искреннее уважение и благодарность за выполнение совместных экспериментальных исследований и обсуждение результатов работы -Тимофееву Михаилу Владимировичу.
Невозможно также не сказать о тех, кто помогал выполнять трудоемкие экспериментальные исследования - Уртаев Алексей Афанасьевич, Морозова Наталья Владимировна, Ломанова Мария Владимировна, Андреева Любовь Петровна.
Анализ исследований по расчётному определению степени и глубины наклепа в поверхностном слое деталей после механической обработки
Исследования [40 - 42] показывают, что решающее влияние на формирование у детали шероховатости, остаточных напряжений и наклёпа оказывают режимы механической обработки. Поэтому решение задачи установления функциональной зависимости, наиболее полно отражающей влияние технологических условий обработки на характеристики наклёпа представляет особое значение. Расчётному определению параметров наклёпа уделялось много внимания. Так отражение эмпирических исследований при решении поставленных задач можно найти в работах Э. В. Рыжова [41]: Эти формулы устанавливают зависимости наклёпа от сравнительно большого числа технологических и геометрических факторов. Однако они справедливы с приписываемой им степенью точности только в узком интервале переменных параметров, при которых производились опыты, и для конкретных условий, что снижает ценность эмпирических формул и обуславливает ограниченность их практического применения. Это заставляет искать пути выявления теоретической аналитической связи между глубиной, степенью наклёпа поверхностного слоя деталей и технологическими параметрами процесса механической обработки.
Так, для несвободного резания острым инструментом В. Я. Севастьяновым рекомендуется следующая формула для расчёта глубины наклёпанного слоя, выведенная при решении отдельных задач теории пластичности [44]: Как показывают исследования, результаты расчёта по этой зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными лишь при малых величинах подачи s, когда справедливо соотношение - меньше 0,1.5, в других случаях погрешности расчёта значительны. В работе [46] глубину наклёпанного слоя для плоской задачи при резании металлов определяют из упруго-напряжённого состояния Основываясь на позицию, что наклеп образуется за счет воздействия на металл только сил, приложенных к задней грани режущего инструмента, т. е. зона упруго-пластических деформаций, расположенная впереди поверхности сдвига, либо отсутствует, либо не проникает за пределы линии среза, Д. Д. Папшев предлагает зависимость [45] PN - нормальная составляющая силы резания, Н; (і - коэффициент трения по передней поверхности инструмента; ит- предел текучести обрабатываемого материала при растяжении; b - ширина среза, мм. Теоретические исследования В. Ф. Безъязычного, стремящиеся наиболее полно отразить влияние температурно-силового воздействия процесса резания на формирование характеристик наклёпа (при точении сплавов ХН77ТЮР, ХН73МБТЮ) привели к следующим результатам [48] Работа В. А. Козлова посвящена экспериментальному определению глубины наклёпа при точении жаропрочных сталей и сплавов ХН77ТЮР, ЭИ698, ЭП99 [45] Знак (+) относится к шлифованию вогнутых поверхностей, знак (-) к шлифованию выпуклых.
Данная зависимость отражает температурный фактор, учитывает изменение тепло физических свойств обрабатываемой поверхности в определенном температурном интервале, соответствующим монотонному изменению последних в зависимости от скорости обработки. Влияние механических свойств обрабатываемого материала в данной модели не учитывается. Глубину UH И степень hc наклепа поверхностного слоя в условиях безприжогового состояния (когда доминирует силовой фактор) можно определить следующим образом [84] UH = 6-- --1 при 0тах Тн , (1.16) а K=Kp yP-az при max Тн , (1.17) где Ь, К/, - расчетные коэффициенты пропорциональности; уви - истинный предел прочности материала поверхностного слоя заготовки; amt - предел текучести материала поверхностного слоя заготовки, сформированного до операции шлифования; max - максимальная температура в зоне контакта шлифовального круга с заготовкой [85]; Тн - температура начала структурно-фазовых превращений в обрабатываемом материале; р - среднее значение радиуса округления вершин зерен рабочей поверхности шлифовального круга (обусловливается материалом абразивных зерен, зернистостью и величиной линейного износа шлифовального круга); аг - среднее значение глубины внедрения вершины абразивного зерна в обрабатываемый материал в процессе шлифования. Вопросам теоретического исследования по определению глубины наклепа для чистового шлифования с учетом температурно-силового воздействия посвящены работы В. Ф. Безъязычного [48]. Расчет глубины наклепа выполнен из условия равенства напряжений в поверхностном слое пределу текучести
Взаимообусловленность кривых скрытой энергии деформации и деформационного упрочнения
В соответствии с современными представлениями пластическую деформацию металлов следует рассматривать как многоуровневый и многостадийный процесс, который является термодинамически неравновесным, что неизбежно ведет к изменению внутренней энергии металлов. Пластическая деформация металлических материалов приводит к повышению плотности дефектов кристаллического строения: вакансий и дислокаций. На их образование расходуется часть затраченной энергии, которая и остаётся в металле как энергия дефектов, причём последняя увеличивает энергию системы. Величина этой измененной энергии, которую называют накопленной, поглощенной, скрытой, запасенной, латентной энергией деформации представляет практический и научный интерес, поскольку содержит информацию о структуре, свойствах и состоянии объемов металла, подвергнутых пластической деформации.
В соответствии с исследованиями различных авторов многие эксплуатационные свойства деталей машин определяются энергетическим состоянием материала поверхностного слоя [1 - 4, 6, 8, 21, 64 - 66, 67 - 72, 96, 100, 101 - 104, 107], т. е, скрытой энергией деформацией. Как отмечалось выше (глава 1), практически всю энергию, запасенную металлом при пластической деформации, можно рассматривать как энергию дислокаций [5, 8, 75]. Следовательно, закономерности скрытой энергии деформации напрямую связаны с плотностью и поведением дислокаций в металлах.
Возникшие дефекты являются термодинамически неравновесными и металл "стремится" от них освободиться, чему способствует, например, повышение температуры. При нагреве плотность дефектов уменьшается, что сопровождается выделением энергии, запасённой при их образовании. Вакансии, как более подвижнвій дефект, исчезают при более низкой температуре (явление возврата), а дислокации аннигилируют при рекристаллизации.
Изучение закономерностей накопления и выделения скрытой энергии деформации в значительной мере способствует развитию представлений как о процессах, происходящих в металле во время деформирования (образование и поведение дефектов кристаллического строения), так и о характере возникающих при этом остаточных искажений решётки [1]. Так, степень несовершенства кристаллической решётки пластически деформированного металла количественно может быть охарактеризована величиной энергии, запасенной им в процессе деформации. Величина скрытой (запасенной) энергии содержит информацию о свойствах и состоянии деформированного металла, которые определяют показатели качества поверхностного слоя, непосредственно влияющие на эксплуатационные характеристики деталей машин. Количество выделившейся энергии при механической обработке является основой для энергетических критериев, позволяющих оптимизировать технологические режимы механической обработки [48, 73, 74, 107]. В работе [64] предлагается для оценки качества поверхностного слоя энергетический критерий К (формула (1.42)), характеризующий способность материала накапливать энергию в процессе деформации и определяющийся как отношение накопленной энергии деформации к общей энергии, расходуемой на пластическую деформацию.
Рассмотрение вопроса о соотношении скрытой энергии деформации к общей энергии, затраченной на деформирование при механическом воздействии на металл имеет научный и практический интерес. В литературе имеются сведения по вопросу о взаимосвязи скрытой и затраченной на деформирование энергии [1-6]. Однако эти данные отрывочны, не систематизированы, освящают частные вопросы, получены в разных условиях, что не позволяет рассмотреть общие закономерности этого явления и, тем самым, существенно сужают возможности полученной информации. Для всестороннего взгляда на процесс накопления материалом энергии деформации рассмотрим и сведем воедино экспериментальные исследования различных авторов о скрытой энергии деформации при пластическом деформировании меди при температуре 293 К. Графически результаты представлены на рис. 2Л, откуда видно следующее. Во-первых, с ростом степени деформации наблюдается рост запасаемой металлом энергии. Наблюдаемый разброс значений рассматриваемой энергии невелик и может быть объяснен различным структурным состоянием меди (размер зерна, наличие примесей и др.)- Во-вторых, способ деформации (кручение, растяжение, сжатие, прокатка), по-видимому, оказывает слабое влияние на уровень запасённой энергии. Подобные выводы также вытекают на основе результатов Л. М- Клербро, М Е, Харгривс, М. X. Лоретто [8]. В-третьих, скорость деформации оказывает заметное влияние на величину накопленной энергии. Как видно, динамическая деформация даёт большее поглощение энергии, чем статическая при той же величине накопленной деформации. Данное явление авторами работы [4] объясняется тем, что решетка металла после динамического нагружения обладает большим запасом потенциальной энергии из-за того, что при статической нагрузке выше скорость аннигиляции возникших искажений. При этом должно выполняться условие равенства объёмов пластического течения материала при статическом и динамическом нагружениях [4].
Параметры процесса шлифования и методика измерения сил резания при плоском шлифовании периферией круга
Экспериментальные исследования посвящены вопросам подтверждения или опровержения высказанной в главе 2 гипотезы о едином физическом механизме поглощения и диссипации энергии пластической деформации, в соответствии с которой отношение скрытой энергии деформации материала (энергия дефектов кристаллического строения) к энергии затраченной на деформацию (на образование данных дефекта в), является постоянной величиной для второй стадии пластической деформации металлов и составляет 10 % от затраченной энергии. Представленное определение гипотезы не несет информации о процессе воздействия на материал, поскольку справедливо для элементарных деформационных процессов сжатия, растяжения, кручения, которые неизбежно сопровождают процессы обработки металлов, такие как различные виды обработки металлов давлением, резанием лезвийным и абразивным инструментом.
Поэтому для всестороннего рассмотрения высказанных предположений были выбраны принципиально разные процессы, отличающиеся широким диапазоном сил и условий воздействия на материал, а также различной реакцией материала на это воздействие; вдавливание шарового индентора в полупространство и шлифование. Основные характеристики данных методов воздействия представлены в табл. 3,1. В качестве исследуемых были взяты представители различных групп металлических материалов; медь Ml, углеродистая конструкционная сталь СтЗ, углеродистая инструментальная сталь У7? легированные стали Х13М и 12Х2Н4А, быстрорежущая сталь Р9К5, жаропрочный сплав на никелевой основе ХН77ТЮР и титановый сплав ВТЗ-1. Представленные металлы и сплавы обладают различными химическим составом, типом кристаллической решетки, физико-механическими свойствами. Почти все обрабатываемые материалы исследовались в отожженном состоянии. Необходимость этого обусловлена невозможностью методикой определения скрытой энергии деформации учесть технологическую наследственность физико-механических свойств, имеющую деформационную природу (пластическое деформирование) или природу структурно-фазовых превращений (термическая обработка), которая вносят начальный (исходный) уровень скрытой энергии деформации. Другими словами, когда материал до обработки находится в энергетически неравновесном состоянии. Трудность учета начального уровня скрытой энергии заключается не в невозможности его расчета или определения, а в невозможности учета (и даже качественного объяснения) влияния его на возникновение и накопления пластических деформаций под воздействием изучаемого процесса на основе рассмотрения физики явления. Описанные обстоятельства привели к принятию решения исследовать материалы в отожженном состоянии.
Тем не менее представляет интерес исследовать материал в том структурном состоянии, в котором он непосредственно используется в изделии. Это позволит ответить на вопрос об аддитивности энергии структурно-фазовых превращений и латентной энергии деформации, а также рассмотреть влияние исходной внутренней энергии от структурно-фазовых превращений па формирование общей внутренней энергии при шлифовании. В качестве таких металлов выступили жаропрочный сплав на никелевой основе ХН77ТЮР и сталь 12Х2Н4А, которые были термически обработаны по стандартной технологии [120], указанной в табл. 3.2. Для создания градиента свойств в поверхностном слое под действием силы использовалось вдавливание шарового индентора в исследуемую поверхность на прессе Бринелля. Методика состоит в следующем: два образца прямоугольного сечения помешаются в специальное приспособление (рис. 3.1, [30]), в котором они плотно прижаты друг к другу плоскостями, предварительно тщательно подготовленными. Вдавливание производится точно по линии сопряжения. После этого образцы извлекаются из приспособления, разнимаются и производится измерение микротвердости на приборе ПМТ-ЗМ в плоскости разъема по трём направленням I II, Ш. (рис. 3.1) [128].
Анализ параметров наклепа и скрытой энергии деформации в поверхностном слое металлических материалов
Определение скрытой энергии деформации основывается на измерении упрочнения в поверхностных слоях обработанных материалов (формула (4.2)). Для решения этой задачи разработан метод определения упрочнения по глубине поверхностного слоя, который подробно описан в п. 3.3.2, Метод основан на последовательном вдавливании в подготовленную поверхность пирамиды Виккерса с различной нагрузкой: 20? 50, 100, 200, 300, 500, 900 грамм по 15 измерений для каждой нагрузки, после чего вычислялось математическое ожидание микротвердости. Для статистически правильного определения математического ожидания было выполнено количество измерений, необходимое для нормального распределения микротвердости. На рис. 4.12 показан пример гистограммы распределения микротвердости при исследовании конструкций ИНОЙ стали СтЗ, которая описывается нормальным законом распределения. Функциональная взаимосвязь указанных величин описывается зависимостью (2,11) Проверка достоверности моделей проводилась путем сравнения расчетных значений параметров с результатами экспериментальных исследований скрытой энергии деформации, полученных при шлифовании.
Оценка полученных моделей по критерию Фишера показала, что гипотеза об адекватности моделей принимается при уровне значимости 5 %. 152 Величины Wo и к при различных режимах шлифования и для разных материалов, а также достоверность аппроксимации по методу наименьших квадратов ІГ представлены в табл. 4.6, из которой видно, что интенсивность изменения скрытой энергии шлифования различна как при изменении глубины шлифования при рассмотрении конкретного металла, так и при сравнении металлов и сплавов между собой. Попытка сравнения скрытой энергии шлифования для разных металлов при одинаковых режимах шлифования представлена на рис. 4.20 - 4.23, из которых видно, что для всех глубин шлифования картина изменения скрытой энергии разных металлов и сплавов остается постоянной. Представляет интерес сравнение исследуемых металлов и сплавов в плоскости глубины упрочненного слоя. Для этого необходимо интегрирование скрытой энергии по глубине поверхностного слоя металла по следующей зависимости где Ws - интегральная величина скрытой энергии в направлении глубины поверхностного слоя, Дж/м"; ho - начальная глубина интегрирования, мкм; h - конечная глубина интегрирования, мкм. Глубина ho принималась равной 0,5 мкм для избежания погрешностей, связанных с экстраполяцией кривой аппроксимации к = 0.В свою очередь, глубина h ввиду экспоненциальной аппроксимации экспериментальных точек может быть бесконечно большой. Поэтому h принималась заведомо большей глубины залегания энергии деформации и принималось равной 100 мкм. Результатьг расчета по формуле (4.27) представлены в табл. 4.7 и нарис, 4,23. расположить в некоторой последовательности.
Причина наблюдаемой последовательности заключается в том, что «реакция» материала на внешнее воздействие в плоскости накопления энертии деформации определяется сочетанием спектра физико-механических свойств, который и определяет уровень скрытой энергии деформации в материале. Указанная последовательность отличается от очередности металлов и сплавов, представленной на рис. 4.9 и 4,10, где была показана зависимость параметра F от критерия ь 3 СТ0.2 5 что указывает на то, что учет только механических свойств недостаточен для объяснения закономерностей поведения скрытой энергии деформации. Поиск ответов на возникшие вопросы требует дополнительных исследований в данной области. Для всестороннего взгляда на процесс накопления поверхностными слоями обрабатываемой детали энергии шлифования представляет интерес определения градиента скрытой энергии деформации игр, описываемой следующей зависимостью
