Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Влияние структурных особенностей напыленных покрытий на шероховатость обработанной поверхности

Влияние структурных особенностей напыленных покрытий на шероховатость обработанной поверхности

Напыленные покрытия являются материалами, неоднородными по физико-механическим свойствам и структуре, что обусловливает особенности формирования качества поверхности при их механической обработке [1, 2]. Наличие значительной неоднородности механических свойств напыленного покрытия, включений и пор искажает полученный в результате обработки профиль микронеровностей, их высотные, шаговые и структурные параметры.

Рис. 1. Профилограмма поверхности с порой (а) после механической обработки и кривая опорной поверхности профиля (в)


Во многих случаях шероховатость поверхности после механической обработки не соответствует той, которая получается по расчету, исходя из кинематико-геометрических закономерностей процесса резания [3]. В общем виде высота неровностей определяется по зависимости

где Rzp - расчетная высота неровностей (детерминированная составляющая); ΔН- отклонение фактической высоты неровностей от расчетной (случайная составляющая), отражающее изменение высоты неровностей в зависимости от жесткости технологической системы ΔHв, наличия дефектов, в частности пористости, в обрабатываемом материале ΔHп и других причин.
Анализ профилограмм поверхности покрытия после механической обработки показывает, что в зависимости от уровня сечения совокупность ординат профиля может быть условно разделена на два участка - в шероховатом слое (на плато) и в порах (рис. 1). Условно принимая, что поры располагаются ниже уровня, соответствующего величине R для неровностей на
плато, кривая опорной поверхности профиля определяется выражением

где х - уровень сечения профиля; R'max - максимальная высота неровностей профиля без учета наличия пор; R"max - максимальная высота неровностей профиля в пористом слое (глубина поры); b, v - параметры степенной аппроксимации начального участка опорной кривой профиля без пор; m—параметр экспоненциальной аппроксимации участка опорной кривой профиля ниже средней линии профиля без пор; f(x) - функция распределения материала покрытия в пористом слое; к - параметр пористости.
Первая часть выражения (2) учитывает составляющую ΔHв, вторая - ΔНп.
Для оценки f(x) всю совокупность открытых пор в обработанном поверхностном слое можно представить эквивалентной порой достаточно простой формы, например в виде кругового конуса, направленного вершиной внутрь материала. В этом случае

где с, d- коэффициенты.
Применительно к обработке материалов с гетерогенной структурой, таких как напыленные покрытия, определение величины составляющей ΔHв связано с оценкой нестабильности влияния параметров их структуры и механических свойств на силы резания и, следовательно, на смещение вершины инструмента относительно заданной траектории. Величина ΔHв определяется амплитудой колебаний, связанной с частотой возмущающей силы, вызываемой разностью припуска при прохождении вершиной резца по выступу или впадине исходной шероховатости (при повторном проходе) или разностью припуска при удалении неровного поверхностного слоя покрытия (обработка по корке) и неравномерной твердостью обрабатываемого материала. Для расчета ΔHв в работе [4] предложено выражение

где ω - приведенная податливость технологической системы; ΔР - разница между максимальной и минимальной радиальной силами резания; λ - частота возмущающей силы; Тп - постоянная времени демпфирования; fp- частота собственных колебаний инструмента.
При точении напыленных покрытий режимы резания оказывают на шероховатость обработанной поверхности существенно меньшее влияние, чем структура и свойства самого материала (рис. 2). Пористость поверхности не только увеличивает высоту неровностей, но и при значительной величине обусловливает отсутствие или минимизацию влияния режимов резания.
Это относится к покрытиям различной природы -с кристаллической структурой, а также с комбинированной - аморфно-кристаллической.

Рис. 2. Влияние скорости резания v и подачи резца S на шероховатость обработанной поверхности Ra при точении напыленного покрытия ПС-12НВК-01 резцами обычной конструкции (а) и с цилиндрической передней поверхностью (б)

Рис.3. Влияние режимов обработки (скорости резания v при подаче резца S = 0,05 мм/об; глубине резания t = 0,15 мм; износе резца h3, = 0,1 м (а); подачи резца S при скорости резания v = 1,2 м/с; глубине резания t = 0,15 мм; износе резца h3 = 0,1 мм (б)), состояния структуры и свойств обрабатываемого материала Ds на шероховатость поверхности Ra (порошковые покрытия с аморфно-кристаллической структурой систем Fe80B20, Fe79Cr16B5)

Применительно к деталям, имеющим на поверхности исходные отклонения профиля значительной величины, материал которых характеризуется структурой с высокой гетерогенностью, высота шероховатости обработанной поверхности может быть оценена в зависимости от обобщенной фрактальной размерностью DΣ = Ds + Dp,где Ds и Dp- фрактальная размерность соответственно совокупности механических свойств материала и совокупности ординат поверхности [5]. Этот параметр учитывает влияние на процесс обработки как механических свойств обрабатываемого материала, их статистических параметров, так и наличия на поверхности изделия ансамбля макро- и микронеровностей, обусловливающих переменную нагрузку на режущий инструмент.
В условиях чистовой обработки в рассмотрение может быть принята только составляющая Ds.
С возрастанием величины Ds материала покрытия значительно увеличивается высота неровностей и наблюдается снижение влияния режимов резания на шероховатость обработанной поверхности (рис. 3).
Варьирование режимами резания при обработке газопламенных покрытий, характеризуемых высокими значениями Ds > 2,5, не приводит к существенному изменению высоты микронеровностей и не позволяет получить точением поверхности с низкой шероховатостью. Это связано с особенностями структуры покрытий, для которой характерна низкая степень деформации напыленных частиц, следствием чего является их недостаточная прочность сцепления между собой и высокая пористость. Во время точения такого покрытия формируется элементная порошковидная стружка.
При точении газопламенных покрытий с относительно низкими значениями Ds < 2,5, которые характеризуются более высокой плотностью, пластинчатой структурой и незначительным количеством слабо закрепленных сферических частиц, варьированием условиями обработки можно существенно приблизить микрогеометрию поверхности к требуемой по условиям эксплуатации. Формируемая стружка не разделяется на элементы, а подобна сливной при точении сталей, что свидетельствует о протекании процесса точения материала покрытия как относительно компактного материала, без разрушения отдельных его элементов.
Неоднородность свойств и дефективность материала покрытия на различном расстоянии от поверхности имеет разное значение, что еще больше определяет ее влияние на шероховатость обработанной напыленной поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Влияние глубины к обработанного слоя покрытия на шероховатость поверхности Ra:
1 - ПГ-12Н-01; 2 - ПГ-12Н-02; 3 - ПГ-АН9

Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что особенности структуры и свойств материала покрытия оказывают основное влияние на шероховатость поверхности, которая формируется при обработке.
При оценке шероховатости поверхности порошковых покрытий следует уделять большое внимание величине пористости материала. Значительная пористость делает практически невозможным управление параметрами неровностей поверхности.
Величина фрактальной размерности Ds совокупности механических свойств материала покрытий может эффективно использоваться для априорного прогнозирования предельных значений высотных параметров шероховатости поверхности, формируемой при обработке.

Литература

1. Э.В. Рыжов. С.А Клименко, О.Г. Гуцаленко. Технологическое обеспечение качества деталей с покрытиями / Киев: Наук, думка, 1994. 180 с.
2. С.А. Клименко, Ю.А. Муковоз, Л.Г. Полонский, П.П. Мельничук. Точение износостойких защитных покрытий / Киев: Технпса, 1997. 144с.
3 Клименко С.А. К вопросу о механизме формирования микрогеометрии поверхности при лезвийной обработке // Сверхтвердые материалы. 1997. № 5. С. 43-53.
4. Кондратов А.С. Повышение производительности станков токарной группы. М.: Машиностроение, 1987. 48 с.
5. Клименко С.А., Мельнийчук Ю.А., Копейкина М.Ю. Совершенствование представлений о процессе резания на основе фрактальной параметризации структуры и свойств обрабатываемого материала // Вопросы механики и физики процессов резания и холодного пластического деформирования // Сб. науч. тр. Киев: ИСМ НАН Украины, 2002. С. 159-171.

С.А. КЛИМЕНКО, д-р техн. наук
(Ассоциация технологов-машиностроителей Украины)

Приложение. Справочник, инженерный журнал
№8, 2003г., с. 5-7

Статьи партнеров