Кинетика формирования и управления напряженным состоянием плоской шлифованной поверхности Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.92

В. Б. Дементьев, Т. Н. Иванова

КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПЛОСКОЙ ШЛИФОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Аннотация. Актуальность и цели. Выявление закономерности формирования напряженного состояния поверхностного слоя позволит разработать методику расчета остаточных напряжений I рода с учетом сил резания, температуры поверхностного слоя, структурных превращений, действия смазочно-охлаждающих жидкостей, скорости охлаждения и управлять распределением остаточных напряжений в плоских деталях из труднообрабатываемых материалов. Для этого в работе была поставлена задача: исследовать закономерности формирования напряженного состояния поверхностного слоя при торцовом шлифовании плоских круглых деталей из труднообрабатываемых материалов. Выводы. Исследования остаточных напряжения и деформации в тонких плоских деталях круглой формы позволили разработать методику расчета остаточных напряжений, управлять их распределением и дать рекомендации при шлифовании труднообрабатываемых легированных конструкционных сталей с учетом условий шлифования и режимов резания.

Ключевые слова: шлифование, плоские детали из труднообрабатываемых материалов, остаточные напряжения растяжения (сжатия), внутренний и наружный поверхностный слой.

V. B. Dement'ev, T. N. Ivanova

KINETICS OF FORMATION AND DIRECTION OF THE STRAINED FLAT GRINDING SURFACE

Abstract. Background. Identification of the formation of the stress state of the surface layer will develop a methodology for the calculation of residual stresses, taking into account the cutting forces, the temperature of the surface layer of the structural transformations of validity coolant, cooling rate, and control the distribution of residual stresses in the flat parts of the hard materials. Therefore the work raises the problem of investigating the patterns of formation of the stress state of the surface layer in face grinding flat round parts of hard materials. Conclusions. Studies of residual stresses and strains in thin flat parts round enabled the development of methodology for calculating the residual stress, management of their distribution and recommendations for sanding hard-alloy structural steels according to the conditions of grinding and cutting.

Key words: grinding, flat parts of intractable materials, residual tensile stress (compression), the inner and outer surface layer.

Введение

Повышение надежности и точности выполнения функционального назначения, эксплуатационных свойств и долговечности плоских деталей из труднообрабатываемых материалов технологическими методами является одним из существенных резервов дальнейшего повышения эффективности механической обработки. Особенно это относится к чистовому методу обра-

ботки - шлифованию, в процессе которого окончательно формируется физико-механическое состояние поверхностного слоя детали.

Известно [1], что в процессе эксплуатации большинства деталей основные нагрузки воспринимаются сравнительно тонкими поверхностными слоями. При этом следует отметить, что геометрические и качественные показатели в значительной мере зависят от характера распределения и величины остаточных напряжений. Возникающие в процессе шлифования температурное и силовое поля обусловливают величину, знак и характер распределения по глубине поверхностного слоя остаточных напряжений первого рода. Если возникающее силовое воздействие является превалирующим фактором - появляются остаточные напряжения сжатия, если же превалирует фактор теплового воздействия - в поверхностном слое формируются остаточные напряжения растяжения, которые влияют на геометрическую точность плоских деталей, обусловливают различные виды структурных превращений, напряженного состояния. Характер этих изменений указывает на превалирующую роль тепловых процессов в формировании свойств поверхностного слоя при шлифовании.

Основная часть

Деление объема металла, прилегающего к пятну контакта, на три характерные зоны позволяет определить общую схему напряженного состояния поверхностного слоя шлифуемой детали:

1) незначительного повышения температуры перед приближающимся тепловым источником;

2) интенсивного роста ее под тепловым источником;

3) резкого снижения температуры после прохождения источника, которую можно считать предельно напряженной и ответственной за образование шлифовочных трещин.

Закаленные конструкционные стали на мартенсит с последующим низким отпуском термостабильны до температур: для углеродистых сталей -220 °С, легированных - 350 °С. Затем наступает распад мартенсита с образованием более равновесных структурных свойств и фазового состава. При температуре свыше 700 °С наступает процесс аустенизации стали, когда мартенсит без промежуточного распада может переходить непосредственно в аустенит. Эти структуры и промежуточные распады имеют разную плотность, из них меньшую - мартенсит, большую - аустенит. При любом виде шлифования, где в зоне пятна контакта возникают температуры выше термоустойчивости мартенсита, происходит его распад, т.е. возникает прижог отпуска.

Проведем анализ напряженности поверхностного слоя шлифованных деталей для случая, когда температура в зоне контакта не превышает 700 °С. В зоне I (рис. 1,а) разогретый до высоких температур поверхностный слой Ах стремится расшириться в направлении зоны II, которая препятствует этому расширению. При этих условиях в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, а глубинные слои оказываются растянутыми. В зоне III в результате быстрого отвода тепла в деталь и ее охлаждения за счет подвода смазочно-охлаждающей жидкости внешний слой Ах стремится сжаться, но этому сжатию препятствуют подповерхностные глубинные слои, имеющие

в данный момент более высокую температуру. При этих условиях в поверхностном слое возникают большие растягивающие напряжения, переходящие на глубине в сжимающие. На условной границе между зонами II и III возникают касательные напряжения среза, стремящиеся сместить одну зону по отношению к другой.

-(7 +(7 -О +С7

а)

-(7 +7 -7 +7

Рис. 1. Деформационные схемы кинетики формирования напряженного состояния шлифованной поверхности

В зависимости от направления продольной подачи детали между зонами II и III возникает различное напряженное состояние. При встречном шлифовании, когда скорость круга не совпадает с направлением движения детали ид, металл, заключенный в рамках площади пятна контакта, стремится под воздействием силы Р2 оторваться от зоны III. Здесь возникают дополнительные растягивающие напряжения в поверхностных волокнах металла между зонами II и III. При попутном шлифовании металл течет в направлении зоны III, уменьшая тем самым суммарную напряженность поверхностного слоя.

На рис. 1,б показана предполагаемая схема деформации, вызванная структурными превращениями. При нагреве металла до 700 °С распад мартенсита в зоне II увеличивает плотность, что вызывает появление растягивающих напряжений. Если прямого превращения мартенсита в аустенит не происходит, то напряженное состояние материала в зоне III будет соответствовать напряженному состоянию зоны II. Таким образом, в зоне III термические и структурные напряжения имеют один знак. Суммируясь, они создают крайне неблагоприятную ситуацию для состояния поверхностного слоя.

Если учесть, что нагрев влечет за собой ослабление граничных связей между зернами, то такое напряженное состояние приведет к трещинообразованию сталей.

Уменьшение разности температур поверхностного слоя между зонами II и III приводит к снижению напряженного состояния шлифуемой поверхности детали. Для уменьшения температуры в зоне контакта можно использовать, например, круги с прерывистой рабочей поверхностью [2].

Если температура в зоне контакта выше 700 °С (рис. 1,в), то в зоне II термомеханического удара происходит прямое превращение мартенсита в аустенит. При этих условиях на поверхности возникают растягивающие напряжения.

При выходе материала из зоны контакта поверхностный слой охлаждается со скоростью, достаточной для обратного бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит, с образованием мартенсита вторичной закалки. При этом на поверхности возникают сжимающие напряжения. Иногда просматривается белый нетравящийся слой с повышенной твердостью и высоким содержанием аустенита (до 60 %). Шлифовочных трещин в нем обычно не наблюдается. Но под слоем белой зоны залегают большие растягивающие напряжения, обусловленные промежуточными продуктами распада мартенсита. Это может привести к образованию скрытых подповерхностных трещин в касательном направлении к поверхности детали, т.е. отслаиванию белого слоя.

Рассмотренные схемы термомеханического воздействия абразива на металл с качественной стороны являются общими для любого вида шлифования. Варьирование параметрами режима шлифования, характеристикой круга приводит к изменению уровня теплонапряженности процесса, но не изменяет деформационную схему.

Особенности формирования температурных остаточных напряжений связаны с тем, как реагирует обрабатываемый материал на тепловые воздействия. Плоскому шлифованию подвергаются детали специфической формы, что влечет за собой неравномерность распределения температуры и толщины поверхностного слоя с изменяемой микроструктурой. При шлифовании перепад температур верхней и нижней поверхностей детали приводит к деформации с выпучиванием в дополнение к расширению по толщине. Неравномерность распределения остаточных напряжений в разных частях детали вызывает перераспределение их и, как следствие, изменение геометрической формы и размеров детали и т. д.

Аналитические исследования

При расчете остаточных напряжений в плоских деталях принимаются предположения, что распределение остаточных напряжений является осесимметричным и равномерно по толщине.

Если 5(г) - радиальное перемещение на радиусе г, то радиальная и окружная деформации равны

й 5 5

£г =~Г, £0 =“. (1)

аг г

Используя известный закон упругости [3]

£г _ (°г — Д°0 ) , £0 _ ~ (00 — М-^г ) ,

Е Е

(2)

можно получить напряжения

Е

E

- (є, дЄ0 ) , OG 2 (є0 дЄ, ) .

1 -Д2 1 -Д2

(З)

Уравнение равновесия плоской детали при отсутствии массовых сил имеет вид

d оr 1/ ч n d (r, о, )

—— + -(о, -O0 ) = G или OG =---------------------------

dr r dr

(4)

Подставляя значения о0 и ог из соотношений (3) в уравнение равновесия (4), получим дифференциальное уравнение относительно функции 5(г), решение которого позволяет найти напряжения и деформации в плоской детали: при действии контурных нагрузок:

о, (r) = о, 2

OG(r) = 0r 2

R2 (

r2 - R12

1

R

V

(

j

R22 (

R22 - R2

r2 ^ 1+R-

r

V J

о Rl

O,1 2 2 R22 - R12

2 (

1

r

V J

Rl

0,1 -ч2 d2

1 R2 ^

1+-f

r

V J

(5)

5(r) =

о, 2

R22 r

R22 - R12

R

1-Д + —2г (1+ Д)

0r1

E

R2 r

R22 - Rl2

R2

1 -Д + nkl + Д)

. (б)

Данные зависимости позволяют вычислить напряжения в плоских деталях в снятых слоях с помощью измерения деформации.

Результаты аналитических расчетов по выражениям (5), (6) и экспериментальных исследований определения остаточных напряжений в плоской детали радиуса 200 мм приведены на рис. 2.

При проведении экспериментальных исследований проводилось последовательное измерение окружной и осевой деформации на наружном радиусе. Для этого делались замеры изменения наружного диаметра и толщины с помощью проволочных тензометров, наклеенных на наружную поверхность детали. Режимы обработки: число оборотов инструмента п = 1200 мин1, глубина шлифования ^ = 0,4 мм, скорость детали ид = 1 м/мин, поперечная подача S = 0,08 мм/об, обрабатываемый материал 9ХС. Круг 12А2 250^32^40 АС6 100/80 М2-01 4.

Аналитические исследования процесса формирования остаточных напряжений при шлифовании труднообрабатываемых материалов показали, что инструментами нельзя полностью устранить растягивающие напряжения на обрабатываемой поверхности, но можно заметно их уменьшить. Для этого необходимо в процессе обработки снизить температуру в зоне контакта. При плоском шлифовании это может быть достигнуто уменьшением интенсивно-

сти теплового источника q, повышением теплоотдачи в окружающую среду и инструмент. Для этого используют, например, круги с открытой структурой и меньшей степенью твердости; уменьшают глубину резания, повышают скорость резания; применяют смазочно-охлаждающую жидкость с хорошими смазочными и охлаждающими свойствами, уменьшают время теплового контакта [1-3].

МПа

700

600

500

400

300

200

'\

9 і A

a 1 t

a 1

I t9 /

/ a

її и

55 n 7 ъ ■0 // f 20 0

N \ ч f s у У

\ 4 N 4 <*r h /

'A / ' \ ' meo, оєтичєі :кая KpL (доя

V V 4 L 3KC nSpUMEh італьна. я крийа я

V

-100 -200 -300 -400 -500

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений в стали 9ХС

Анализ полученной графической зависимости позволяет установить, что максимальная величина напряжений в поверхностном слое зависит и от режимов шлифования.

Экспериментальные исследования

При увеличении глубины шлифования стали 12Х18Н9 силы резания существенно возрастают, однако напряженность теплового процесса изменяется незначительно, повышение температуры в данном случае связано с увеличением времени действия теплового источника. Поэтому увеличение глубины резания способствует более глубокому прогреву поверхностного слоя и соответствующему увеличению толщины слоя, в котором развиваются растягивающие остаточные напряжения (рис. 3). Максимальные величины растягивающих напряжений наблюдаются в слое вторично отпущенного металла со структурой троостомартенсита. Наружные слои подвергаются наиболее интенсивной пластической деформации, где возникают максимальные скорости охлаждения, происходят вторичные структурные превращения.

а, МПа 600 МО 200

0 -200 -400 -600

1+0 80 120 160 200 2^0 ^ мкм

Рис. 3. Влияние глубины резания при шлифовании на остаточные напряжения в поверхностном слое:

1 - X = 0,005 мм; 2 - X = 0,01 мм; 3 - X = 0,02 мм; 4 - X = 0,03 мм

Максимальная возможная температура на поверхности плоской детали при шлифовании достигает 840 °С, постепенно уменьшаясь по глубине. Аналогично происходит снижение степени увеличения объема нагретых слоев. Временные напряжения сжатия полностью снимаются в наиболее нагретых наружных слоях из-за их высокой пластичности и сохраняются в менее прогретых слоях, где снижение пластичности происходит в меньшей степени. При охлаждении объем металла, подвергшийся нагреву, стремится к уменьшению, чему препятствуют нижележащие, более холодные слои. В связи с этим развиваются растягивающие напряжения, которые на некоторой глубине компенсируют временными сжимающими напряжениями, но по мере приближения к наружной поверхности снижаются временные напряжения сжатия и превалируют факторы, приводящие к увеличению растягивающих остаточных напряжений. Тогда максимум растягивающих напряжений должен быть на поверхности. Однако этого не наблюдается в силу следующих обстоятельств. Верхний слой, подвергшийся наиболее интенсивному тепловому воздействию, приобретает структуру вторично закаленного мартенсита, а лежащий ниже слой, в результате отпуска - структуру троостита и троосто-мартенсита. А так как удельный объем троостита меньше, чем мартенсита, то растягивающие остаточные напряжения в зоне вторичного отпуска усиливаются, а в зоне вторичной закалки уменьшаются.

Кроме того, следует иметь в виду различные скорости охлаждения поверхностных слоев. Решение тепловой задачи при шлифовании с учетом влияния охлаждающего действия смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) [2] позволило установить, что в зависимости от условий охлаждения и свойств СОЖ наружный поверхностный слой детали охлаждается со скоростями, значительно превышающими скорости охлаждения нижележащих слоев. В результате этого через определенный промежуток времени температура наружного слоя станет ниже, чем у более глубоких слоев. У холодного наружного слоя пластичность будет убывать пропорционально снижению температуры, и на определенном этапе уменьшению объема внутренних более нагретых слоев будут препятствовать не только нижележащие, но и наружные слои. Это приводит к развитию растягивающих напряжений в средних слоях и сжимающих - в наружных.

С уменьшением глубины резания снижается напряженность теплового процесса, что изменяет глубину и характер структурных превращений в поверхностном слое - уменьшается зона вторичной закалки, сужается зона вторичного отпуска. Все эти явления оказывают влияние на величину и знак остаточных напряжений в поверхностном слое. Так, например, в случае шлифования с глубиной резания X = 0,01 мм, когда максимальная температура на поверхности достигает около 600 °С, в поверхностном слое на глубину до 3-5 мкм развиваются процессы отпуска с образованием троостомартенситной структуры. Как можно видеть из рис. 3, характер распределения напряжений по глубине поверхностного слоя не изменился, максимум растягивающих напряжений также смещен от поверхности. При высокой скорости охлаждения наружные слои в определенный момент времени станут более холодными и менее пластичными и будут препятствовать продолжающемуся уменьшению объема охлаждающихся внутренних слоев, это способствует развитию растягивающих остаточных напряжений на внутренних слоях и противоположных по знаку - в менее нагретых наружных слоях. В то же время пластическая деформация наружного слоя происходит здесь при более низких температурах, усиливая образование сжимающих напряжений и их устойчивость. Поэтому в процессе охлаждения растягивающие напряжения в наружном слое компенсируются сжимающими. Таким образом, при уменьшении глубины шлифования эпюра остаточных напряжений смещается к поверхности, и уменьшаются значения максимальных растягивающих напряжений.

Увеличение скорости детали приводит к повышению скоростей нагрева и охлаждения, что обусловливает более высокий градиент температур по глубине поверхностного слоя (рис. 4).

а, МПа 600 Ш 200 О -200 -т

20 1+0 во 80 100 /г мкм

Рис. 4. Влияние скорости детали при шлифовании на остаточные напряжения в поверхностном слое. Скорость детали: 1 - 2 м/мин; 2 - 4 м/мин; 3 - 8 м/мин

При скорости детали 2 м/мин наружный слой подвергается вторичному отпуску и начинают развиваться высокие растягивающие остаточные напряжения. По мере приближения к поверхности они уменьшаются под влиянием изменения направления теплового потока и пластической деформации. С увеличением скорости до 5 м/мин максимальная величина растягивающих напряжений снижается, уменьшается глубина их распространения, но повышается градиент напряжений по глубине поверхностного слоя. Эти явления

наблюдаются и при дальнейшем увеличении скорости детали. Кроме того, следует отметить и возрастающее влияние фактора пластической деформации. С повышением скорости детали возрастают силы резания, а так как температура может изменяться незначительно, то повышается интенсивность пластической деформации и устойчивость создаваемых в результате этого сжимающих напряжений, что приводит к образованию в наружном слое остаточных напряжений сжатия (рис. 4).

Анализ эпюр остаточных напряжений первого рода при различных условиях и режимах шлифования показывает, что на величину, знак и глубину распространения остаточных напряжений, наряду с величиной температуры, пластической деформации поверхностного слоя и характером структурных превращений, существенное влияние оказывает скорость тепловых процессов и направление тепловых потоков в различные моменты времени при охлаждении. Это особенно ярко проявляется при сравнении напряженного состояния поверхностного слоя после шлифования без охлаждения и с охлаждением (рис. 5).

а,МПа

800 600 МО 200 О -200 -400

40 80 120 160 200 А мкм

Рис. 5. Влияние охлаждения при шлифовании на глубину и характер напряженного состояния поверхностного слоя: 1 - шлифование с охлаждением;

2 - шлифование без охлаждения; ид = 2 м/мин; X = 0,02 мм

При шлифовании без охлаждения на поверхности образовался слой вторичной закалки, напряжения растяжения только уменьшились, но знак их не изменился. Уменьшение напряжения происходит за счет увеличения удельного объема вторичного закаленного слоя. При шлифовании с охлаждением наружный слой подвергается отпуску и влияние структурных превращений направлено на дальнейшее повышение растягивающих напряжений. Однако, наоборот, растягивающие напряжения, достигнув максимума на некоторой глубине, уменьшаются, приближаясь к поверхности, и даже меняют знак, переходя в сжимающие. Это обстоятельство может быть объяснено только изменением направления теплового потока во время охлаждения поверхностных слоев (рис. 5). Если шлифование происходит без принудительного охлаждения, отвод тепла идет только вглубь пластины за счет теплопроводности металла, и поэтому чем ближе рассматриваемый слой к поверхности, тем больше его температура в любой момент времени. Такой характер

протекания теплового процесса создает максимальные растягивающие напряжения на поверхности, постепенно уменьшающиеся по глубине слоя по мере снижения температуры. Отклонения от такой закономерности вызываются влиянием механического деформирования наружного слоя или различными структурными превращениями, которые в зависимости от характера снижают или усиливают растягивающие напряжения в соответствующих слоях.

При шлифовании с принудительным охлаждением уменьшение температуры на поверхности происходит как за счет теплоотвода в глубь металла детали, так и за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью. Скорость охлаждения становится очень высокой, поэтому через короткий промежуток времени, еще при достаточно больших температурах, когда формирование напряженного состояния продолжается, температура слоев, примыкающих ближе к наружной поверхности, оказывается ниже, чем более глубоких слоев. Таким образом, направление теплового потока изменяется, что приводит к соответствующему изменению направленности влияния теплового фактора. Применение охлаждающих жидкостей приводит к тому, что скорости термических процессов существенно возрастают, сдерживаются процессы изменения удельных объемов, что обусловливает образование меньших по величине растягивающих остаточных напряжений (рис. 5).

Заключение

Анализируя приведенные теоретические и экспериментальные исследования остаточных напряжений при плоском шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов можно отметить следующее.

1. Формирование остаточных напряжений объясняется следующими основными причинами:

- пластической деформацией поверхностного слоя, приводящей к увеличению объема деформированного слоя и появлению в нем остаточных сжимающих напряжений;

- вытягиванием верхних волокон металла и развитием в них остаточных напряжений сжатия;

- локализированным нагревом тонких слоев с возникновением в них остаточных напряжений сжатия-растяжения;

- фазовыми превращениями различных слоев металла, приводящими к образованию в них различных структур, обладающих разным удельным объемом и создающих в этих слоях остаточные напряжения разного знака.

2. Остаточные напряжения снижаются при шлифовании с высокими скоростями детали, меньшими глубинами резания, при применении смазочно-охлаждающих жидкостей, обладающих лучшими охлаждающими свойствами, что дает возможность улучшить теплоотвод.

3. Исследования остаточных напряжений и деформации в тонких плоских деталях круглой формы позволили разработать методику расчета остаточных напряжений, управлять их распределением.

4. Проведенные экспериментальные исследования по определению остаточных напряжений, возникающих при шлифовании труднообрабатываемых материалов, выявили:

- закономерности формирования температурных остаточных напряжений;

- позволили дать рекомендации при шлифовании труднообрабатываемых легированных конструкционных сталей с учетом условий шлифования и

режимов резания.

Список литературы

1. Евсеев, Д. Г. Формирование свойств поверхностного слоя при абразивной обработке / Д. Г. Евсеев. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1978. - 128 с.

2. Иванова, Т. Н. Формирование свойств поверхностного слоя деталей из труднообрабатываемых материалов одновременно при нагреве и охлаждении / Т. Н. Иванова, В. Б. Дементьев // Химическая физика и мезоскопия. - 2012. -Т. 14, № 4. - С. 587-598.

3. Подзей, Д. В. Технологические остаточные напряжения / Д. В. Подзей. - М. : Машиностроение, 1973. - 216 с.

References

1. Evseev D. G. Formirovanie svoystv poverkhnostnogo sloya pri abrazivnoy obrabotke [Surface layer characteristics formation during abrasive processing]. Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 1978, 128 p.

2. Ivanova T. N., Dement'ev V. B. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical physics and mesoscopy]. 2012, vol. 14, no. 4, pp. 587-598.

3. Podzey D. V. Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya [Technological residual stress]. Moscow: Mashinostroenie, 1973, 216 p.

Дементьев Вячеслав Борисович доктор технических наук, профессор, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, Пермский край, г. Чайковский, ул. Мира, 1а)

E-mail: rsg078829@mail.ru

Иванова Татьяна Николаевна

кандидат технических наук, доцент, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, Пермский край, г. Чайковский, ул. Мира, 1 а)

E-mail: rsg078829@mail.ru

Dement'ev Vyacheslav Borisovich Doctor of engineering sciences, professor, Chaikovsky branch of National Perm Research Polytechnic University (1a Mira street, Tchaikovsky, Perm region, Russia)

Ivanova Tat'yana Nikolaevna Candidate of engineering sciences, associate professor, Chaikovsky branch of National Perm Research Polytechnic University (1a Mira street, Tchaikovsky, Perm region, Russia)

УДК 621.92 Дементьев, В. Б.

Кинетика формирования и управления напряженным состоянием плоской шлифованной поверхности / В. Б. Дементьев, Т. Н. Иванова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2013. - № 3 (27). - С. 219-229.