Исследование технологических возможностей управления состояниями обрабатываемых элементов

Технологическая наследственность. Значительное влияние состояния поверхностного слоя деталей машин на их основные эксплуатационные свойства, а также вида и режимов механической обработки на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя (высоту шероховатости, форму и направление неровностей, микротвердость поверхностного слоя, глубину распространения наклепа, величину, знак и глубину распространения остаточных напряжений) предопределяет зависимость эксплуатационных качеств деталей от технологии их механической обработки.

Важные эксплуатационные качества деталей (долговечность, плавность перемещений, длительность сохранения заданных конструктором точности и посадки, прочность, коррозионная стойкость, магнитные свойства, способность к теплопередаче и теплоизлучению и др.) зависят не только от конструктивных форм и точности изготовления деталей, состава и структуры их материала и его механических качеств, но и от отдельных характеристик состояния поверхностного слоя, сформировавшихся в металле в процессе механической обработки.

Изменение видов и режимов механической обработки оказывает воздействие на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя, а соответственно, и на эксплуатационные свойства деталей. В этом смысле уместно говорить о существовании технологической наследственности состояния поверхностного слоя и определяемых им эксплуатационных свойств деталей от отдельных технологических операций и всего технологического процесса их изготовления.

Технологической наследственностью называется перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформировавшихся у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия.

Технологическая наследственность зависит не только от вида и режимов обработки, примененных на чистовой операции. Она может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов состояния поверхностного слоя, созданных в поверхностном слое детали при ее черновой обработке.

Например, при шлифовании грубо обточенной и закаленной до 62…63 HRC заготовки из стали ШХ15СГ шлифовальный круг создает на участках выступов неровностей поверхности тепловые удары, вызывающие мгновенный нагрев и структурные изменения металла поверхностного слоя. При этом во время чистовых режимов шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей токарной обработки, возникают зоны отпущенного металла пониженной твердости, а при напряженных режимах шлифования – зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку. В обоих случаях на границах разных структур развиваются значительные остаточные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин.

При шлифовании с охлаждением влияние тепловых ударов ослабевает.

Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин. Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостной прочностью, износостойкостью и др.) и режимами обработки заготовок при основных методах их изготовления.

Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей вида состояние поверхностного слоя – функция режима резания, эксплуатационная характеристика – функция состояния поверхностного слоя с их последующим совместным решением и установлением прямой связи (эксплуатационная характеристика – функция режима резания).

В некоторых случаях установление математических зависимостей режим обработки – характеристика состояния поверхностного слоя – эксплуатационные свойства осложняется тем, что изменение режима обработки может одновременно вызывать улучшение эксплуатационных свойств и их ухудшение (например, при увеличении глубины шлифования возрастает высота неровностей, что приводит к увеличению износа, и одновременно повышается степень наклепа, уменьшающая износ). В подобных случаях зависимости эксплуатационных свойств от режимов резания приобретают экстремальный характер, определяя оптимальные режимы обработки наименьшими (для износа) или наивысшими (для усталостной прочности) значениями эксплуатационных свойств.

В подобных случаях для использования технологической наследственности (с целью повышения долговечности деталей или улучшения других эксплуатационных характеристик путем назначения рациональных видов и режимов обработки заготовок) необходимо экспериментально устанавливать прямые зависимости между отдельными эксплуатационными характеристиками и режимами или видами их обработки.

В некоторых случаях совершенно одинаковые по своей точности и шероховатости поверхности деталей машин, изготовленные по одному и тому же чертежу, а также принятые и оцененные техническим контролем как совершенно равноценные, могут иметь резко различные эксплуатационные качества в зависимости от технологической наследственности, приобретенной деталями в процессе их изготовления.

Влияние технологии обработки на износостойкость деталей и усталостную прочность деталей изложены в [1, c. 251…253].

Термическая обработка металлов – процесс тепловой обработки металлов и сплавов с целью изменения их структуры, а следовательно, и свойств, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Термическая обработка – одно из важнейших звеньев технологического процесса производства деталей машин и других изделий. Термическая обработка применяется как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металла (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательная – для придания ему комплекса механических, физических и химических свойств, обеспечивающих необходимые характеристики изделия. Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, термомеханическая обработка, обработка стали холодом, электротермическая обработка, химико-термическая обработка.

Отжиг производят для улучшения обрабатываемости металла или сплава, повышения пластичности материала, уменьшения остаточных напряжений, возникающих в результате предыдущих обработок, получения структур материала, близких к равновесному состоянию.

Нормализацию производят для повышения механических свойств стали, а также для улучшения ее обрабатываемости резанием (нормализация часто предшествует закалке).

Закалку производят для повышения твердости и износоустойчивости поверхностного слоя стальной детали.

Отпуск термообработанной стали производят для того, чтобы уменьшить хрупкость и повысить пластичность закаленной стали с целью облегчения окончательной механической обработки детали.

Старение производят для снятия остаточных напряжений, повышения прочности и жаропрочности различных сплавов (при этом уменьшаются пластичность и ударная вязкость материала).

Термомеханическая обработка – один из перспективных путей повышения прочности конструкционных сплавов (обеспечивается очень высокий предел прочности – до 3 ГПа и более).

Обработку стали холодом применяют для деталей, изготовленных из стали с высоким содержанием углерода, с целью получения максимальной твердости и стабилизации размеров закаленных сталей.

Электротермическая обработка (индукционный, контактный и др. нагрев электрическим током) позволяет нагревать только поверхность изделий или отдельные их участки, отличается высокой скоростью нагрева, высокой производительностью и легкостью регулирования, улучшенными условиями труда.

Химико-термическая обработка металлов – тепловая обработка металлов в химически активной среде для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металлического изделия. На производстве широко применяется химико-термическая обработка стали: насыщение поверхностных слоев углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование), алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и т.п.

Цементация производится с целью повышения твердости, износоустойчивости и усталостной прочности деталей. Также ее используют для науглероживания поверхностного слоя деталей из малоуглеродистых сталей с целью их последующей закалки.

Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости (на воздухе и в воде), сопротивления усталости, для деталей, работающих при температурах 500…600 °С (гильзы цилиндров, коленчатые валы, детали топливной аппаратуры двигателей и др.).

Цианирование производится для повышения поверхностной твердости, износоустойчивости и усталостной прочности.

Алитирование применяется для защиты изделий от окисления при высоких температурах (до 1100 °С), для уменьшения схватываемости поверхностей (например, резьбовых соединений при эксплуатации в вакууме), повышения износостойкости, защиты от коррозии в средах, содержащих серу, азот и углерод.

Диффузионное хромирование производится для повышения жаростойкости, жаропрочности, сопротивления усталости, износостойкости, коррозионной стойкости в кислотах и морской воде, для придания нужных магнитных и электрических характеристик. При электролитическом хромировании на поверхность металлического изделия наносится хромовое покрытие для предотвращения коррозии, повышения сопротивления механическому износу и придания декоративного вида.

Поверхностное или объемное силицирование производится для повышения антикоррозионных свойств материалов, их износостойкости и жаропрочности.

Металлические и неметаллические покрытия наносят на поверхности деталей с целью повышения их коррозионной стойкости, твердости их поверхностного слоя, износостойкости их трущихся поверхностей, исправления дефектов (пороков) поверхностей металлических деталей, а также улучшения внешнего вида деталей и изделий. Нанесение металлических и неметаллических покрытий выделяют в отдельные операции, которые проводят в конце технологического процесса изготовления детали или между операциям механообработки заготовки.