Тольяттинский Государственный Университет

Кафедра

«Технология машиностроения»

Курсовой проект

«Определение остаточных напряжений после механической обработки маложестких деталей»

Студент: Введенский Д.И.

Группа: М - 302

Научный руководитель: Бобровский А.В.

Тольятти 2005

Введение

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа.

В связи с этим в учебном процессе высших учебных заведениях значительное место отводится самостоятельным работам таким, как курсовое проектирование по технологии машиностроения.

Курсовое проектирование закрепляет, углубляет и обобщает знания, полученные студентами во время лекционных и практических занятий. Курсовое проектирование должно научить студента пользоваться справочной литературой, ГОСТами, таблицами, номограммами, нормами и расценками, умело сочетая справочные данные с теоретическими знаниями.

При выполнении проекта принятие решений по выбору вариантов технологических процессов, оборудования, оснастки, методов получения заготовок производится на основании технико-экономических расчетов, что дает возможность предложить оптимальный вариант.

Научные исследования, участие в разработке не имеющих аналогов технологий и устройств позволяет студентам почувствовать себя творцами технического прогресса, настоящими конструкторами; дают возможность дать волю своей фантазии, направить её в нужное русло и впоследствии принести в науку что-то новое, дерзкое и полезное.

Защита проекта позволяет оценить умение студента кратко, в установленное время изложить сущность проделанной работы, а также аргументировано объяснить принятые решения при ответах на вопросы по проекту.

Остаточные напряжения. Классификация

В процессе производства деталей возникают технологические остаточные напряжения. Их появление связано с условиями изготовления деталей. В настоящее время имеется ряд работ, посвященных разработке методов определения остаточных напряжений в конструкционных материалах после различных видов механической обработки. Наиболее полно механизм образования остаточных напряжений и методы выявления и определения их величины изложены в работе [1].

Виды остаточных напряжений

Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода - макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.

Напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения 3-го рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50...200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения - местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры - результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Фазовые превращения (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твёрдого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объёма отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникать из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям.

В реальном поликристаллическом металле вместо предполагаемого по расчету равномерного распределения напряжений от действия внешней нагрузки имеет место значительная неравномерность напряжений (деформаций) в отдельных зернах. Неравномерная пластическая деформация обусловливается разницей в модулях упругости различных структурных составляющих, а также неодинаковой способностью деформироваться по разным кристаллографическим осям одного и того же зерна, которая определяется величиной модулей упругости Е и G. В поликристалле, даже при однородном поле напряжений, пластическая деформация распределяется в микрообъемах неравномерно, степень неравномерности при этом достигает 400...500%. Скопление большого числа дислокаций в граничных слоях вызывает многочисленные искажения атомной решетки, а это создает напряжения 3-го рода. Наряду с этим граничный слой - зона силового взаимодействия между отдельными зернами - создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры при низких температурах остается постоянным.

Образование остаточных напряжений после механической обработки

Значительные остаточные напряжения могут возникать после механической обработки (точения, фрезерования, шлифования и др.). Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра. Возникновение остаточных напряжений связано с пластической деформацией при воздействии режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся теплотой резания. При силовом воздействии инструмента возникает пластическая деформация растяжения, и после снятия этого воздействия в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.

Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обусловливает рост удельного объема, достигающего 0,3-0,8% удельного объема до пластической деформации. Это увеличение объема распространяется на глубину проникновения пластической деформации. Увеличению объема пластически деформированного металла препятствуют нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях - растягивающие остаточные напряжения.

Кроме того, режущий инструмент вытягивает кристаллические зерна слоя металла под режущим клином в направлении резания. Этому способствует трение на задней поверхности инструмента. После прекращения резания и удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои, связанные как единое целое с нижележащими слоями, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. В направлении подачи протекают аналогичные процессы, вызывающие возникновение осевых остаточных напряжений.

Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным градиентам и температурным напряжениям, которые могут превосходить предел текучести материала. После установления нормальной температуры в поверхностных слоях детали происходит деформация сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои. В результате в поверхностных слоях появляются растягивающие остаточные напряжения, а в нижележащих - напряжения сжатия, уравновешивающие растягивающие напряжения.

Таким образом, два основных фактора при резании - силовой и температурный - действуют в противоположные стороны, что и объясняет существенную зависимость величины и знака остаточных напряжений от технологического режима обработки. При точении остаточные напряжения возникают под влиянием одной из указанных выше причин или в результате одновременного воздействия всех или части этих причин. Окончательная величина и знак остаточных напряжений после точения зависят от степени воздействия каждой из причин, участвующих в формировании напряжений.

Влияние скорости резания при точении проявляется в изменении теплового воздействия и в изменении продолжительности теплового и силового воздействия на металл инструмента. Поэтому повышение скорости резания при точении способствует появлению дополнительных растягивающих напряжений, которые увеличивают общую величину остаточных напряжений растяжения. При обработке малопластичных материалов, при которой формируются остаточные напряжения сжатия, повышение скорости резания приводит к уменьшению сжимающих и даже образованию растягивающих напряжений. При обработке пластичных материалов, воспринимающих закалку, увеличение количества теплоты в зоне резания, связанное с повышением скорости резания, может привести к закалке поверхностного слоя. Увеличение удельного объема металла поверхностного слоя при его закалке приводит к снижению остаточных напряжений растяжения, Формирующихся при малых скоростях, и превращению их в напряжения сжатия при обработке на больших скоростях резания. При точении закаленных материалов увеличение нагревания поверхностного слоя при увеличении скорости резания может вы звать отпуск. Вследствие отпуска происходят структурные изменения, связанные с уменьшением удельного объема металла, что приводит к снижению остаточных напряжений сжатия. Увеличение подачи при обработке пластичных сталей, например, жаропрочных, у которых формируются остаточные растягивающие напряжения, приводит к росту пластической деформации поверхностного слоя и соответствующему росту остаточных напряжений растяжения. При точении малопластичных материалов увеличение подачи вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия, а при обработке малопластичных закаленных сталей - их снижение. Возрастанию остаточных напряжений сжатия при точении малопластичных сталей способствует также увеличение отрицательных значений передних углов резца.

Износ резца приводит к увеличению пластической деформации поверхностного слоя металла и глубины ее проникновения. Поэтому при точении пластичных материалов происходит увеличение остаточных напряжений растяжения, а при точении малопластичных материалов - увеличение сжимающих напряжений.

В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Поэтому в поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхности со стороны внутренних слоев, т.е. к образованию растягивающих остаточных напряжений. Пластическая деформация, связанная с усилием резания, при шлифовании имеет второстепенное значение. Изменение условий шлифования, приводящее к повышению температуры резания, приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напряжений сжатия.

Методы контроля остаточных напряжений

При определении остаточных напряжений используется теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений. Остаточное напряженное состояние предполагается одноосным. Ниже приводится краткое описание различных методов определения остаточных напряжений.

1. Метод замера прогибов

В данном методе для определения остаточных напряжений используются стержни прямоугольного сечения, которые вырезаются из деталей сложной конфигурации. Остаточные напряжения в таких образцах действуют вдоль оси стержня, так как остаточные напряжения по боковым поверхностям после вырезки снимаются и остаточное напряженное состояние становится одноосным. При определении остаточных напряжений в стержне предполагают, что за исключением небольших областей у концов остаточные напряжения постоянны по длине стержня. В концевых областях остаточные напряжения постепенно уменьшаются, и на торцах стержня они становятся равными нулю. В концевых областях имеет место сложное напряженное состояние, что известно как краевой эффект.

Обычно протяжённость зоны краевого эффекта, как правило, не превышает высоты сечения h.

Для определения остаточных напряжений будем постепенно удалять слой материала, находящийся в зоне постоянных по длине стержня напряжений. Эти напряжения будем предполагать положительными (растягивающими).

Именно этим методом мы будем пользоваться в наших исследованиях.

2. Метод замера деформаций

Для измерения деформаций широко применяются проволочные тензорезисторы. Они используются также и при исследовании остаточных напряжений. Тензорезисторы в этом случае наклеены на грань стержня и защищены от стравливания. Расчетная зависимость получается так же, как и при замере прогибов.

3. Метод Давиденкова

Этот метод используется в том случае, когда исследуемая заготовка представляет собой тонкостенный цилиндр. Тонкостенными принято считать цилиндры, толщина стенки которых h мала по сравнению со средним радиусом R, т. е. при R/h>3.

Согласно методу Давиденкова, который был предложен в 1931 году, для определения остаточных напряжений вырезается достаточно длинный участок тонкостенного цилиндра, а затем производится его разрезка по образующей и последовательное снятие цилиндрических слоев. Снятие слоев металла производится травлением.

4. Метод Закса

Во многих случаях при определении остаточных напряжений могут рассматриваться полые или сплошные цилиндрические дета ли. Основная особенность цилиндрических деталей состоит в том, что, кроме окружных и радиальных остаточных напряжений, в них могут существовать осевые остаточные напряжения.

Для определения остаточных напряжений по методу Закса из детали вырезается цилиндрический образец и проводится его сверление.