Технологические основы отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Нгуен Ван Хинь

• Нгуен Ван Хинь
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Хинь

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЫГЛАЖИВАЮЩАЯ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Повышение качества деталей машин поверхностным пластическим деформированием

1.2 Особенности выглаживающего поверхностного пластического деформирования

1.3 Формирование регулярного микрорельефа при поверхностном пластическом деформировании

1.4 Влияние выглаживающей обработки поверхностным пластическим деформированием на эксплуатационные свойства деталей машин

1.5 Выводы, поставка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ

2.1 Кинематическая схема осциллирующего выглаживания

2.2 Конечно-элементное моделирование процесса осциллирующего выглаживания

2.3 Исследование напряжено-деформированного состояния при осциллирующем выглаживании

2.4 Расчет геометрических характеристик поверхности с регулярным микрорельефом

2.4.1 Регуляризация микрорельефа поверхности детали

2.4.2 Расчет траектории перемещения пятна контакта

2.5 Определение пятен контакта инструмента с заготовкой при

осциллирующем выглаживании

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ, УПРОЧНЕННЫХ ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ

ВЫГЛАЖИВАНИЕМ

3.1 Разработка технологического оснащения для осциллирующего выглаживания

3.2 Исследование шероховатости упрочненной поверхности

3.3 Определение отклонения от круглости цилиндрических деталей

3.4 Определение твёрдости упроченного слоя

3.5 Определение остаточных напряжений в поверхностном слое

3.6 Анализ искажения микроструктуры упрочненного слоя

3.7 Определение микротвёрдости по глубине упроченного слоя

3.8 Исследование регулярного микрорельефа при осциллирующем

выглаживании

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УПРОЧНЕНИЮ ДЕТАЛЕЙ ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ

4.1 Оценка качества поверхностного слоя деталей, упрочненных разными способами поверхностного пластического деформирования

4.2 Оценка износостойкости деталей, упрочненных осциллирующем

выглаживанием

4.3. Рекомендации по технологии осциллирующего выглаживания

деталей машин

4.4 Определение оптимальных параметров осциллирующего

выглаживания

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологические основы отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием»

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностный слой деталей машин является наиболее нагруженным слоем, который подвергается интенсивному силовому воздействию и воздействию окружающей среды. В этой связи именно к качеству поверхностного слоя предъявляются повышенные требования при изготовлении деталей машин, так как в этом граничном слое формируется напряженное состояние, способствующее развитию трещин и разрушению материала.

При эксплуатации машин их детали контактируют друг с другом или с окружающей средой. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства: износо - и коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости, точность и качество сборки и другие. Взаимосвязь характеристик качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей свидетельствует о том, что поверхность деталей должна быть достаточно твердой, иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей при значительной площади опорной поверхности [2,5,6].

С помощью финишных механических способов обработки (шлифование, хонингование, доводка) обеспечивается необходимая конфигурация деталей с заданной точностью, но не достигается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно обеспечивается поверхностным пластическим деформированием (ППД), при котором стружка не образуется, а происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износо - и коррозионная стойкость и т.д. Во многих случаях за счет применения ППД удается повысить запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, в 1,5 - 3 раза и увеличить срок службы деталей в десятки раз [2,3,5]. Среди технологий, повышающих качество поверхностного слоя деталей машин, широкое распространение на практике получили методы ППД. Благодаря относительной технологической простоте, универсальности, экономичности ППД эффективно используют во многих отраслях металлообрабатывающей промышленности.

Методы ППД осуществляются двумя способами воздействия деформирующего инструмента на обрабатываемый материал - это обработка качением и обработка скольжением рабочего инструмента. В первом случае рабочий инструмент в виде шарика или ролика обкатывается по поверхности детали. Трение качания обычно меньше трение скольжения, поэтому напряженное состояние в очаге деформации значительно меньше, чем при деформировании скольжением, что сказывается и на степени упрочнения и на качестве сглаживания микронеровностей поверхностного слоя.

Упрочняющая обработка скольжением происходит в более сложных условиях работы деформирующего инструмента. Повышенные силы трения и силы адгезионного воздействия приводят к формированию значительных касательных сил в зоне деформации, что повышает усилие деформирования, температуру в зоне обработки и приводит к повышенной степени износа рабочего инструмента. В этой связи на производстве обычно используют алмазные выглажыватели. Но в ряде случаев и алмазный инструмент не удовлетворит производственным задачам, так как адгезионные явления в зоне контакта способствуют налипанию обрабатываемого материала на поверхность инструмента, что приводит к его повреждению и резкому снижению качества поверхностного слоя.

С другой стороны размеры и геометрия алмазного инструмента резко ограничивают класс обрабатываемых деталей. Нужно также иметь определенное качество исходного поверхностного слоя, включая шероховатость поверхности.

Вместо алмазных гладилок для деформационного выглаживания можно использовать инденторы изготовленные из инструментальных сталей и твердых сплавов. Однако стойкость таких материалов в силу указанных выше причин весьма низкая. Локальное воздействие с постоянной зоной контакта приводит к усиленному износу инструмента, которое снижает качество обрабатываемой поверхности и не обеспечивает необходимую точность, особенно поверхностей большой протяженности.

В этой связи возникает вопрос о создании технологического процесса выглаживающей обработки, обеспечивающей повышенную стойкость деформирующего инструмента и качество поверхностного слоя упрочненных сталей.

Целью диссертационного исследования является разработка эффективного способа, технологии и оборудования для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических деталей осциллирующим выглаживанием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить геометрические и кинематические характеристики процесса осциллирующего выглаживания, обеспечивающие образование регулярного микрорельефа и качество поверхностного слоя.

2. Построить конечно-элементную модель напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей при отделочно-упрочняющей обработке осциллирующим выглаживанием.

3. Определить оптимальные параметры процесса осциллирующего выглаживания, обеспечивающие формирования регулярного микрорельефа и необходимых характеристик качество поверхностного слоя.

4. Разработать конструкцию устройства для осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

5. Оценить качество поверхностного слоя деталей и их работоспособность после отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием.

Объект исследования: объектом исследования является отделочно-упрочняющая обработка цилиндрических деталей типа валов и осей осциллирующим выглаживанием.

Предмет исследования: поверхностное пластическое деформирование осциллирующим выглаживанием; технологические остаточные напряжения; шероховатость; микротвердость; микроструктура; отклонение от круглости и образование регулярного микрорельефа.

Теоретическая значимость. Разработана кинематическая и математическая модель для определения напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей, упрочненных осциллирующим выглаживанием

6

Практическая значимость. Предложена технология поверхностного пластического деформирования осциллирующим выглаживанием, обеспечивающая повышение производительности обработки и качества цилиндрических деталей машин. Определены рациональные режимы обработки для формирования необходимого качества поверхностного слоя деталей машин. Разработано и изготовлено технологическое оснащение для реализации процесса осциллирующего выглаживания.

Основные положения выносимые на защиту:

- Новый способ отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием - осциллирующее выглаживание, обеспечивающее производительность обработки, качество упрочненных деталей и возможность формирования регулярного микрорельефа.

- Результаты моделирования и численного расчета напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей после осциллирующего выглаживания.

- Методика экспериментальных исследований и результаты определения показателей качества и эксплуатационных характеристик упрочненных деталей.

- Технологические рекомендации по выбору параметров и режимов процесса осциллирующего выглаживания.

Научная новизна работы:

1. Предложена новая кинематика отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием, обеспечивающая стабильность и устойчивость процесса поверхностного пластического деформирования.

2. Установлено влияние угла поворота рабочего инструмента на геометрические поля очага деформации и напряженно-деформированное состояние в зоне контакта рабочего инструмента с заготовкой.

3. Разработана конечно-элементная модель осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей, позволяющая определять напряженно-деформированное состояние в очаге деформации и остаточное напряженное состояние в упрочненных деталях.

4. На основании экспериментальных исследований и результатов конечно-элементного моделирования установлено влияние параметров и режимов осциллирующего выглаживания на качество поверхностного слоя упрочненных деталей.

Методы исследования и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ технологии машиностроения, теории прочности и упругопластической деформации, механики поверхностного пластического деформирования. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях на опытной установке с применением методов математической статистики и с использованием современных средств измерения:

- для определения размеров и геометрической точности упрочненных деталей использована портальная координатно-измерительная машина Carl Zeiss Contura G2 Aktiv;

- шероховатость цилиндрических деталей определена на профилометре Taylor Hobson Form Talysurf i200;

- для определения остаточных напряжений на поверхности упрочненных деталей использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000 G3/G3R;

- для измерения микротвердости упрочненных деталей использован микротвердомер ПМТ-3;

- искажение микроструктуры упрочненных деталей определено на микроскопе МЕТ-2.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным изучением достаточного объема научной литературы, использованием современных средств и методик проведения исследований, и подтверждается согласованностью теоретических выводов с результатами их реальной экспериментальной проверки.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы изложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях:

VI, VII, VIII Всероссийские научно-технические конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов» (г. Иркутск, апрель, 2016 - 2018 гг.);

Международная научно-практическая конференция «Новые решения в области упрочняющих технологий: взгляд молодых специалистов» (г. Курск, декабрь 2016 г.);

VIII Международная научно-практическая конференция «Инновации в машиностроении - 2017» (г. Новосибирск, сентябрь 2017 г.);

I Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлообработке» (г. Ульяновск, ноябрь 2018 г.);

Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых и технологии» (г. Ростов-на-Дону, февраль 2018 г.);

Международная научно-практическая конференция «Наукоёмкие и виброволновые технологии обработки деталей высокотехнологичных изделий» (г. Ростов-на-Дону, сентябрь 2018 г.).

Личный вклад автора. Предложена технология упрочнения цилиндрических деталей осциллирующим выглаживанием, реализована методика оценки напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей после осциллирующего выглаживания в зависимости от параметров процесса, проведены экспериментальные исследования, анализ, обработка и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные результаты в виде публикаций, научных докладов и рукописи диссертации.

ГЛАВА 1. ВЫГЛАЖИВАЮЩАЯ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

ПОСТАВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) является одним из наиболее простых и эффективных методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин. Упрочнение ППД приводит к повышению поверхностной твердости, образованию в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия и благоприятному изменению микрогеометрии поверхностей. В результате в зависимости от функционального назначения и условий эксплуатации деталей повышается их усталостная и контактная прочность, износостойкость и сопротивление коррозии, гидроплотность и маслоудерживающая способность [9,33,34,47,73,77,100,127].

В настоящее время в металлообрабатывающей промышлености способы локального обкатывания отличаются не сложной кинематикой: деформирующий элемент, обкатывая вращающуюся заготовку, перемещается вдоль ее оси. В результате след движения деформирующего элемента представляет собой винтовую канавку того или иного профиля и шага. Однако исследования, проведенные Ю. Г. Шнейдером [120] показали, что деформирующее воздействие при обкатывании тем выше, чем сложнее перемещение рабочего элемента относительно деформируемой поверхности.

1.1 Повышение качества деталей машин поверхностным пластическим деформированием

Для повышения работоспособности деталей эффективно используются различные методы ППД [35,89]:

- Сглаживающие - для уменьшения высоты микронеровностей поверхности;

- Упрочняющие - для повышения микротвердости поверхностного слоя и формирования в нем значительных по величине сжимающих остаточных напряжений;

- Сглаживающие - упрочняющие, являющиеся комбинацией двух предыдущих;

- Точные (калибровка) - дня получения требуемой точности размеров, формы, взаимного расположения и т.д.;

- Формирующие определенный (регулярный) поверхностный микрорельеф для улучшения условий смазывания и придания деталям требуемого внешнего вида.

К недостаткам методов ППД относятся сложность обработки маложестких, тонкостенных деталей машин и возможность перенаклепа поверхностного слоя.

При ППД упрочнение деталей обусловлено улучшением физико-механических свойств обрабатываемого материала в результате различных структурных превращений, а также формированием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, возникающих вследствие развития явлений сдвига в кристаллической решетке. При ППД формируется определенный работоспособный рельеф контактирующих поверхностей деталей. При этом микровыступы становятся более сглаженными и увеличивается площадь фактического контактирования деталей, что приводит к повышению их работоспособности [7,70,90].

Все методы ППД подразделяются на статические и динамические. Статические основаны на постоянном взаимодействии деформирующего инструмента с обрабатываемым материалом, включая обрабатывающую среду [38,90]. Инструментом при ППД могут быть специальный резец, подпружиненный алмазный выглаживатель, ролик, шариковый раскатник и др. Динамические методы ППД характеризуются прерывистым взаимодействием обрабатываемого материала и инструмента (в определенных случаях рабочего тела, среды, в качестве которых используется дробь, бойки, металлические щетки и т.д.).

Некоторые методы ППД в достаточной степени разработаны и стандартизованы. Например, стандартизована оснастка для обработки поверхностей деталей обкатыванием или раскатыванием (ГОСТ 16344-70; ГОСТ 17573-72 и др.). Общие требования к ППД регламентированы ГОСТ 20299-74, однако многие способы

чистовой и упрочняющей обработки требуют дальнейшей разработки для выдачи конкретных рекомендаций.

Статические методы ППД, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей; с помощью ударных методов можно достичь значительной степени упрочнения, которое характеризуется повышением степени микротвердости, сжимающих остаточных напряжений и толщины упрочненного слоя.

Это относится к статическим и ударным методам, имеющим примерно одинаковую удельную нагрузку н кратность ее приложения. Однако степень упрочнении, полученная обработкой некоторыми ударными методами, ниже степени упрочнения, полученной обработкой статическими методами, например, при виброударной обработке степень упрочнения ниже, чем при накатывании.

Сравнительный анализ методов ППД может быть выполнен на основе исследования общих закономерностей и единых критериев оценки эффективности воздействия рабочих тел и сред. Поверхностное упрочнение возникает под действием контактной нагрузки, вызывающей местную пластическую деформацию [69]. Картина принципиально не меняется, если в процессе воздействия на тело площадка контакта перемещается (при обкатывании роликом) или если в течение известного промежутка времени на поверхности тела возникают многочисленные площадки контакта, многократно перекрывающие друг друга (при обработке дробью).

Во всех случаях упрочнения, вызванного воздействием контактных нагрузок, пластическая деформация неоднородна в пределах наклепанного слоя: она ослабевает по мере удаления от контактной поверхности. Интенсивность деформации упрочненного слоя является основным фактором, характеризующим физические свойства этого слоя и определяющим запас пластичности и степень упрочнения материала, при этом ее определение особенно важно при изучении влияния поверхностного упрочнения на сопротивление усталости, износостойкость и другие эксплуатационные свойства деталей [69,125].

Взаимосвязь отдельных факторов, а также влияние на них разных материалов затрудняют их раздельное изучение. Между тем, общим для параметров, столь разнообразных с технологической точки зрения, является то, что каждый из них в той или иной степени влияет на интенсивность упрочнения поверхностного слоя. Таким образом, исследование интенсивности пластической деформация позволяет производить оценку самых разнообразных факторов с точки зрения их влияния на развитие пластической деформации в поверхностном слое.

Результаты теоретического и опытного расчетов твердости согласуются в следующих случаях действия контактной нагрузки: вдавливание сферического пуансона в плоскую границу тела, наклеп дробью, обкатывание роликами. Твердость по сечению детали, обработанной дробью или роликом, может быть определена заранее в зависимости от параметров режима обработки, т. е. выбор этих параметров осуществляется таким образом, чтобы обеспечить необходимое распределение пластической деформаций (твердости) по поперечному сечению тел [15,37,76,80,83,125, 128].

Расчет технологических параметров ППД на стадии проектирования должен обеспечивать максимальную долговечность или износостойкость при деформационном воздействии [20,27]. Такой расчет базируется на взаимосвязи технологических и физико-механических параметров, что выходит за рамки классических теорий упругости и пластичности, требует системного подхода (привлечения нескольких дисциплин) и учета явлений самоорганизации процесса деформации при его неоднородности и нелинейности реологического поведения обрабатываемого материала. Указанная взаимосвязь устанавливается на базе, инженерной теории пластичности, учитывающей влияние переходных областей, которая позволяет преодолеть ряд противоречий, накопившихся в механике твердого деформируемого тела и следующих, прежде всего, из постулатов связанных с однородностью напряженно-деформированного состоянии элементарного объема [32,56,58].

Следует отметить, что в последние годы созданы такие методы, как образовании регулярного микрорельефа, местного упрочнения и комбинированные, в

которых ППД используется в сочетании с точением, нанесением покрытий, химико-термической обработкой и т. д. [71,115].

Холодное деформационное упрочнение пластичных металлов, предшествующее процессу резания, позволяет: снизить напряженность процесса резания, а также интенсивность наростообразования, адгезионных явлений, сил и температуры резания; обеспечить сужение пластической зоны и увеличение угла сдвига, уменьшение усадки стружки и площадки ее контакта с передней поверхностью инструмента, а также снижение интенсивности его изнашивания, увеличение допустимой степени заполнения стружечной канавки и улучшение параметров шероховатости обработанной поверхности, ее точности, физико-механических и эксплуатационных свойств [59,62,108].

В технической литературе методы ППД рассматриваются, как правило, обособленно, без связи с другими методами деформирования, не показаны тенденции их развития [23,70,73]. Это снижает эффективность использования методов ППД, т. к. машиностроительные предприятия не ориентированы на использование определенного метода с учетом объективных условий применения и тенденций его развития.

Рабочий инструмент. В большинстве случаев для отделочно-упрочняющей обработки ППД деформирующие инструменты изготовляют из материалов, твердость которых значительно выше твердости обрабатываемых деталей. Например, для алмазного выглаживания деталей используют упругие пружинные державки с выглаживающими наконечниками из естественных или синтетических алмазов (АСПК), для обкатывания или раскатывания - ролики или шарики из стали марки ШХ15, твердых сплавов и др. [18,70,91].

Для изготовления деформирующих элементов используют также не обладающие высокой твердостью: стальную, чугунную или алюминиевую дробь (при дробеобработке). Например, при ППД в качестве деформирующих элементов используют цилиндрические пружины, термообработанные до 45-55 НКС и более [66,97]. Недостатком таких пружинных деформирующих инструментов при ППД

является то, что они предназначены, в основном, для обработки наружных цилин-

14

дрических поверхностей вращения. Более широкими возможностями обладает вращающийся дисковый упрочняющий инструмент с плоскими пружинами для обработки плоских и цилиндрических фасонных поверхностей [55].

В качестве инструмента для центробежно-ударного воздействия использован многошариковый накатник представляющий собой диск, на цилиндрической поверхности которого в гнездах установлены шарики, перемещающиеся в них в радиальном направлении. При вращении диска шарики, занимая под действием центробежных сил положение, наиболее удаленное от центра вращения, выступают над цилиндрической поверхностью диска. Достаточно широко инструментальное оснащение для ППД представлено в работах [74,121].

1.2 Особенности выглаживающего поверхностного пластического деформирования

Выглаживание является одним из методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием. Сущность выглаживания заключается в том, что инструмент с заданными геометрическими характеристиками рабочей части и при соответствующих установленных технологических режимах процесса внедряется в поверхностный слой обрабатываемой заготовки и скользит, пластически деформируя микронеровности, образованные на операциях предшествующей обработки. В результате данного воздействия изменяются физико-механические свойства обработанной поверхности.

При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются частично или полностью, и поверхность приобретает зеркальный блеск, повышается твердость поверхностного слоя, в нем создаются сжимающие напряжения. После выглаживания поверхность остается чистой, не шаржированной осколками абразивных зерен, что обычно происходит при процессах абразивной обработки. Сочетание свойств выглаженной поверхности предопределяет ее высокие эксплуатационные качества — износостойкость, усталостную прочность и т. д.

Выглаживание обладает широкими технологическими возможностями. С помощью выглаживания можно производить чистовую отделочную, упрочняющую и калибрующую обработки. Метод выглаживания, при достаточной производительности, позволяет получать изделия с исключительными эксплуатационными свойствами: высоким качеством поверхностного слоя, повышенной опорной способностью профиля обработанной поверхности, упрочненным поверхностным слоем, образованием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия [47]. Метод позволяет достигнуть точности 6...7 квалитетов и шероховатости Ra=0,16...0,02 мкм. Характеристики микрогеометрии выглаженных поверхностей, в сравнении с аналогичными характеристиками поверхностей, обработанных иными методами отделочной обработки, также подтверждают эффективность выглаживания [9,19,34,73]. Усилие, с которым осуществляется процесс выглаживания алмазом, позволяют обрабатывать тонкостенные и маложесткие изделия, при этом упрочняется поверхностный слой и в нем образуются остаточные сжимающие напряжения [8,114].

Качество изделий, эксплуатационные свойства деталей машин и надежность их работы в значительной степени зависят от технологии их изготовления и, в особенности от технологии чистовой и отделочной обработки, в процессе которых формируется поверхностный слой деталей.

Одним из методов отделочной обработки, обеспечивающий существенное улучшение эксплуатационных свойств деталей машин, является алмазное выглаживание. В нашей стране выполнен ряд исследований, посвященных методу выглаживания (работы Г. И. Чекина, Э. Г. Грановского, М. М. Иоффе, Л. И. Маркуса, В. М. Смелянского, Я. И. Бараца, Л. А. Хворостухина и других).

Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента [27,54,82]. Причем при выглаживании существует трение скольжения между обрабатываемой поверхностью и рабочей поверхностью индентора, которое приводит к проскальзыванию указанных поверхностей, ухудшая тем самым шероховатость поверхности детали. Из-за нестабильности качества при обработке выглаживанием нельзя обрабатывать заготовки со значи-

16

тельными отклонениями формы в поперечном сечении или неравномерной твердостью поверхности (разброс значений твердости не более 4 НЖС). Поэтому предварительная обработка поверхности заготовки под алмазное выглаживание должна выполняться шлифованием, тонким точением, то есть точность размеров должна быть не ниже 7 квалитета с параметром шероховатости Ra < 0,80 мкм [77,85].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Хинь, 2019 год

Бъ -

Ба /

10

аз

■а

а

«а

5,5 |

оер

, 4

1 2 3 4 5 6 7 8 Профильный радиус рабочего инструмента Япр) мм

Рисунок 3.10 - Зависимость параметров шероховатости Яя и Яг от профильного радиуса рабочего инструмента

7

Результаты экспериментального определения зависимости шероховатости от профильного радиуса рабочего инструмента показывают, что чем больше профильный радиус рабочего инструмента, тем меньшую величину имеют параметры шероховатости.

3.3 Определение отклонения от круглости цилиндрических деталей

Для измерения отклонения от круглости образцов использована портальная координатно-измерительная машина (КИМ) Carl Zeiss Contura G2 Aktiv (рис.3.11). Для цилиндрических образцов оптимальной траекторией движения измерительной головки является окружность, показанная на рисунке 3.12. Измерение с точностью 1 мкм было выполнено в 375 точках.

Для определения отклонения от круглости цилиндрических деталей использовали образцы из стали 45 диаметром 23 мм (см. рис. 3.4).

•л i.

Рисунок 3.11 - Общий вид портальной координатно-измерительной машиной (КИМ) CONTURA G2:

1 - стол, 2 - блок управления,

3 - измерительная головка,

4 - образец

Рисунок 3.12 - Траектория движения измерительной головки

Отклонение от круглости определяли как максимальную полуразность между наибольшим и наименьшим диаметрами в каждом из сечений образца.

• _ ^тах ^тт

Результаты измерения представлены в виде профилограмм поперечных сечений и значений отклонения от круглости. На рисунке 3.13 показаны профило-граммы поперечного сечения цилиндра до и после осциллирующего выглаживания. Визуально можно наблюдать улучшение круглости детали после осциллирующего выглаживания.

Рисунок 3.13 - Профилограммы (круглограммы) поперечных сечений:

а) до выглаживания, б) после выглаживания

Результаты измерения отклонения от круглости показывают, что после осциллирующего выглаживания отклонение от круглости снижается в 2-3 раза. Исходное отклонение партии деталей составило 18,5 мкм, что соответствует 10"ои степени точности. Осциллирующее выглаживание способствует повышению точности формы упрочненных деталей на 1 -2 степени точности.

Влияние параметров осциллирующего выглаживания на отклонение от круглости поперечного сечения деталей представлено в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Отклонение от круглости заготовки при осциллирующем выглаживании (исходный образец - Дкр= 18,5 мкм)

Подача инструмента 8, мм/об 0,07 0,11 0,14 0,19 0,30

Отклонение от круглости, Дкр, мкм 6,3 7,1 7,6 8,6 9,4

Угол поворота инструмента а, град -85 -45 -20 -10 0 10 20 +45 +85

Отклонение от круглости, Дкр, мкм 31,8 25,9 16,8 9,3 7,6 7,2 6,6 6,3 7,1

Частота вращения заготовка пз, об/мин 50 100 125 160 250

Отклонение от круглости, Дкр, мкм 7,2 7,6 8,5 16,5 26,1

Величина натяга 1, мм 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4

Отклонение от круглости Дкр, мкм 7,9 7,6 7,4 6,9 6,6

Профильный радиус рабочего инструмента Япр, мм 1 2 4 8

Отклонение от круглости, Д , мкм 8,2 7,9 7,6 7,2

Результаты измерения отклонения от круглости показывают, что с увеличением подачи от 0,07 до 0,3 мм/об отклонение от круглости повышается на 49%. При угле поворота рабочего инструмента от 0 до 850, отклонение от круглости снижается на 15%, а при угле поворота рабочего инструмента от -30 до -850, отклонение от круглости резко возрастает из-за разрушения поверхности вследствие перенаклепа. При частоте вращения заготовки пз = 250 об/мин, отклонение от

круглости резко возрастает из-за разрушения поверхности вследствие перенакле-

96

па. Таким образом, как было установлено выше, частота вращения заготовки более 100 об/мин отрицательно сказывается и на шероховатости на отклонении от окружности. С увеличением натяга от 0,05 до 0,5 мм отклонение от круглости снижается на 16%. С увеличением профильного радиуса рабочего инструмента от 1 до 8 мм величина отклонение от круглости снижается на 12%.

3.4 Определение твёрдости упроченного слоя

Для определения влияния параметров осциллирующего выглаживания на твердость поверхностного слоя цилиндрических деталей использовали образцы, который применяли для измерения шероховатости поверхности (раздел 3.2).

Для определения твёрдости по Роквеллу использовали прибор марка HBRV-187.5. На каждом участке образца твёрдость была измерена в шести точках расположенных на поверхности по двум окружностям. Твердость каждого участка принята как среднее значение твердости в шести точках.

Влияние параметров осциллирующего выглаживания на твердости представлено в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Твердость заготовки при осциллирующем выглаживании (исходный образец - твёрдость 85,1 НКВ)

Подача инструмента Б, мм/об 0,07 0,11 0,14 0,19 0,30

Твёрдости, ШВ 94,3 94,2 94,1 93,9 93,7

Угол поворота инструмента а, град -85 -45 -20 -10 0 10 20 +45 +85

Твёрдости, ШВ 96,3 97,5 97,1 96,2 94,1 94,0 93,9 93,6 93,9

Частота вращения заготовка пз, об/мин 50 100 125 160 250

Твёрдости, ШВ 93,8 94,1 94,3 95,6 97,8

Величина натяга, мм 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4

Твёрдости, ШВ 93,7 94,1 94,8 95,3 96,8

Профильный радиус рабочего инструмента, Япр,мм 1 2 4 8

Твёрдости, ШВ 94,9 94,3 94,1 93,5

Изменение продольной подачи оказывает незначительное влияние на изменения твёрдости. В исследованном диапазоне подач твёрдость изменяется на 0,7%. Изменение угла поворота рабочего инструмента оказывает влияние на изменения твёрдости (около 4,6%). При изменении частоты вращения заготовки от 50 до 250 об/мин твёрдость повышается на 4,7%. При изменении величины натяга от 0,05 до 0,5 мм твёрдость повышается на 3,3%. При увеличении профильного радиуса рабочего инструмента от 1 до 8 мм твёрдость снижается на 1,5%.

3.5 Определение остаточных напряжений в поверхностном слое

Остаточные напряжения являются одной из основных характеристик качества поверхностного слоя, оказывающей большое влияние на усталостную прочность деталей машин. Усталостная прочность деталей существенно зависит от величины, знака и глубины распространения остаточных напряжений. Многочисленными исследованиями [8,41,43,90,93,95,122] установлено, что наличие в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия повышает предел выносливости детали при знакопеременных нагрузках, а наличие остаточных напряжений растяжения - снижает этот предел. При этом эффект повышения предела выносливости за счет остаточных напряжений сжатия значительно превосходит эффект снижения предела выносливости за счет таких же по величине остаточных напряжений растяжения.

Для измерения остаточных напряжений использовали прибор Xstress 3000 G3/G3R. Режим измерения: хромовый анод, К-а излучение, напряжение на рентгеновской трубке - 25кВ, ток - 5,5 мА. Использовали оба детектора, коллиматор -

98

5 мм. Угол дифракции - 156,4°. Плоскость отражения (311). Количество наклонов - 8, отклонение наклона (осцилляция) ±5°. Время экспозиции - 5 сек. Измерение напряжений проводили в 2-х направлениях (ф): 0° (положение гониометра вдоль образца) и 90° (положение гониометра поперек образца). Определяли нормальные напряжения одним из стандартных способов обсчета пиков РеакШ, предлагаемый программным обеспечением прибора (рисунок 3.14). Для автоматизированного расчета напряжений вводили параметры материала: модуль Юнга - 210 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,3.

Рисунок 3.14 - Общий вид дифрактометра Хэ^еээ 3000 СЗ/СЗЯ: 1 - основной стол, 2 - основной блок Х3003, 3 - защитный экран, 4 - образец, 5 - гониометр О3Я

Результаты экспериментальных исследований. Для определения влияния параметров осциллирующего выглаживания на остаточные напряжения в упрочненных деталях были изготовлены цилиндрические образцы из стали 45 диаметром 23 мм (см. рис. 3.3).

Влияние продольной подачи рабочего инструмента. Режимы обработки приведены в таблице 3.1, подачу инструмента (б) изменяли от 0,07 до 0,3 мм/об.

На рис. 3.15 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от величины продольной подачи рабочего инструмента.

s, мм/об 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Б, мм/об

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

-200

-220

-240

-260

й

§ -280

н

о

0° -300

° г

2 ° °

Ф

й

-200 -220 -240 -260 -280

н

&-300

°2

Ф

а)

б)

Рисунок 3.15 - Зависимость остаточных осевых и тангенциальных напряжений от величины продольной подачи рабочего инструмента

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

Результаты исследования показывают, что при увеличении подачи рабочего инструмента (от 0,07 до 0,3 мм/об) остаточные напряжения сжатия уменьшаются на 25-28%.

Влияние величины натяга. Величину натяга изменяли от 0,05 до 0,4 мм. На рис. 3.16 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое от величины натяга.

0,1

0,2

^ мм

0,3 0,4

0

0,1 0,2

^ мм 0,3 0,4

-200 -250 -300 -350 с-400 ^ -450

н" о

Ю°-500

°2

7*

°ф /

-200 -250 -300 -350 а-400 ^ -450

Ю

°-500

/

°Ф /""

а)

б)

Рисунок 3.16 - Зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от величины натяга

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

0

Результаты исследования показывают, что увеличение величины натяга от 0,05 до 0,4 мм приводит к увеличению осевых остаточных напряжений сжатия на 62%, а тангенциальных на 98%. Натяг является эффективные параметром обработки влияющим на формирование сжимающих остаточных напряжений.

Влияние частоты вращения заготовки. Частоту вращения заготовки (п3) изменяли от 50 до 250 об/мин. На рис. 3.17 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое от частоты вращения заготовки.

50

п3 об/мин 100 150 200 250

-210 -230 -250 §-270

о

0°-290

сЗ

°ф

а)

б)

Рисунок 3.17 - Зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от частоты вращения заготовки

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

Результаты опытов показывают, что при увеличении частоты вращения заготовки от 50 до 250 об/мин остаточные напряжения сжатия возрастают на 2325%.

Влияние частоты осцилляции рабочего инструмента. Частоту осцилляции инструмента (пос) изменяли от 20 до 150 дв.ход/мин. На рис. 3.18 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое от частоты осцилляции рабочего инструмента.

В результате экспериментальных исследований установлено, что увеличение частоты осцилляции инструмента от 20 до 150 дв.ход/мин приводит к увеличению величины остаточных напряжений сжатия на 30-40%.

ей

-200 -230 -260 -290 -320

Ь°-350

пос, дв.ход/мин 30 60 90 120 150

а)

°

/

°ф / /

-200

-230

-260

й

-290

ь

°-320

пос, дв.ход/мин 30 60 90 120 150

<°2

/

° ■ /

ф /

б)

Рисунок 3.18 - Зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от частоты осцилляции рабочего инструмента

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

Влияние профильного радиуса рабочего инструмента. Профильный радиус рабочего инструмента (Япр) изменяли от 1 до 8 мм. На рис. 3.19 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое от профильного радиуса рабочего инструмента.

1 2,5

-210 -230 -250 -270

£

Е -290

| -310 Ь

-330

Япр, мм

5,5 7

°

ф Г~

°

z /

1 2,5

-210

-230

-250

-270

3

-290

-310

-330

Япр, мм

5,5 7

° °ф

/

°z

а)

б)

Рисунок 3.19 - Зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от профильного радиуса рабочего инструмента

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

0

0

4

4

Экспериментально установлено, что при осциллирующем выглаживании формируются остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое. Увеличение профильного радиуса деформирующего инструмента приводит к повышению величины сжимающих остаточных напряжений.

Влияние угла поворота рабочего инструмента. Угол поворота инструмента (а) изменяли от -850 до +850. На рис. 3.20 показана зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от угла поворота рабочего инструмента.

-40 -15

-100

-200

-300

а

-400

о

ь

-500

а, град 10 35 60 85

С \

\ С

/

-40 -15 10

-100

-200

-300

а

-400

ё о

Ь

а, град 35 60 85

500

а) б)

Рисунок 3.20 - Зависимость осевых и тангенциальных остаточных напряжений от угла поворота рабочего инструмента

а) результаты моделирования, б) экспериментальные результаты

Результаты экспериментального определения показывают, что поворот инструмента в направлении по часовой стрелке от 0 до +450 приводит к уменьшению величины осевых остаточных напряжений сжатия на 46%, а тангенциальных на 58%, а поворот угла а от +45 до +850 приводит к увеличению величины осевых остаточных напряжений сжатия на 26%, а тангенциальных на 43%. Поворот инструмента против часовой стрелки от 0 до -400 приводит к увеличению остаточных напряжений сжатия на 115% и 138% соответственно.

Результаты экспериментального определения убедительно подтверждают, результаты компьютерного моделирования по определению остаточных напряжений при осциллирующем выглаживании (отклонение составляет 6 - 9%).

103

Полученные результаты исследования хорошо согласуются с физическим закономерностями образования остаточных напряжений при упругопластическом деформировании. Чем больше величина пластической деформации, тем большую величину имеют остаточные напряжения сжатия.

3.6 Анализ искажения микроструктуры упрочненного слоя

После осциллирующего выглаживания цилиндрические детали были разрезаны на отдельные диски. Микроструктуру и микротвердость образцов определяли на шлифах, изготовленных из половины дисков толщиной 10 -12 мм, вырезанных из цилиндрических образцов. Образцы заливали в кольца на автоматическом прессе Полилаб С50А с помощью смолы Aka-Resin Acrylic, а затем шлифовали и полировали на шлифовально-полировальном станке Полилаб П12М до зеркального блеска. Травление выполнили в 5 %-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Полученные шлифы использовали сначала для оценки микроструктуры, а затем для определения микротвердости поверхностного слоя.

Исследование проведены на микроскопе МЕТ-2, позволяющем визуально наблюдать и фотографировать микроструктуру металлов с увеличением от 100 до 1000 раз. Экспериментальные образцы и режимы осциллирующего выглаживания представлены в разделе 3.2 (рис. 3.3 и табл. 3.1).

Исследования микроструктуры проводили как в осевой зоне, так и в поверхностном слое цилиндрической заготовки (рис. 3.21). Значительное искажение зерен (зона а) распространяется на глубину 0,1 - 0,2 мм. Структуру в зоне б можно принять как исходную.После осциллирующего выглаживания происходит вытягивание зерен в направлении главной деформации и их дробление. В поверхностном слое пластически деформированного металла зерна образуют определенную ориентировку, создают так называемую текстуру деформации. Происходит вытягивание зерен в направлении главной деформации, о чем можно судить по микроструктуре наклепанного слоя. На рисунке 3.21 показана микроструктура поверхностного слоя, которая характеризуется преобладанием зерен перлита и феррита.

Как видно, обработанный слой содержит меньше феррита по сравнению с внутренним исходным слоем, что ведет к увеличению микротвердости поверхностного слоя. Центральная область практически не претерпевает пластических деформаций и зерна не изменяют своих размеров.

Рисунок 3.21 - Микрострутура образца после осциллирующего выглаживания (увелечение в 500 раз):

а) поверхностный слой,

б) осевая зона

Влияние параметров осциллирующего выглаживания на размеры зерен представлено в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Размеры зерен заготовки при осциллирующем

выглаживании

Подачи S, мм/об. Размер зерна вдоль оси, мкм Искажение зерен в продольном направлении (Да) Размер зерна поперёк оси, мкм Искажение зерен в поперечном направлении (Де)

Поверхностный слой Осевая зона Поверхностный слой Осевая зона

0,07 35,2 54,7 19,5 29,5 48,4 18,9

0,11 36,1 54,7 18,6 30,6 48,4 17,8

0,14 36,5 54,7 18,2 31,7 48,4 16,7

0,19 37,4 54,7 17,4 32,3 48,4 16,1

0,30 39,9 54,7 14,8 33,8 48,4 14,6

Угол поворота инструмента а, град Размер зерна вдоль оси, мкм Искажение зерен в продольном направлении (Да) Размер зерна поперёк оси, мкм Искажение зерен в поперечном направлении (Де)

Поверхностный слой Осевая зона Поверхностный слой Осевая зона

-45 34,3 54,7 20,4 30,1 48,4 18,3

0 36,5 54,7 18,2 31,7 48,4 16,7

+45 37,4 54,7 17,3 32,9 48,4 15,5

+85 36,4 54,7 18,3 31,8 48,4 16,6

Натяг 1:, мм Размер зерна вдоль оси, мкм Искажение зерен в продольном направлении (Да) Размер зерна поперёк оси, мкм Искажение зерен в поперечном направлении (Де)

Поверхностный слой Осевая зона Поверхностный слой Осевая зона

0,05 37,4 54,7 17,3 33,2 48,4 15,2

0,1 36,5 54,7 18,2 31,7 48,4 16,7

0,2 35,6 54,7 19,1 30,2 48,4 18,2

0,3 33,7 54,7 21,0 29,3 48,4 19,1

0,4 30,5 54,7 24,2 27,5 48,4 20,9

Частота вращения заготовки пз, об/мин Размер зерна вдоль оси, мкм Искажение зерен в продольном направлении (Да) Размер зерна поперёк оси, мкм Искажение зерен в поперечном направлении (Де)

Поверхностный слой Осевая зона Поверхностный слой Осевая зона

50 38,3 54,7 16,4 32,5 48,4 15,9

100 36,5 54,7 16,2 31,7 48,4 16,7

120 35,1 54,7 19,6 30,3 48,4 18,1

160 33,7 54,7 21,0 29,7 48,4 18,7

250 30,2 54,7 24,5 27,2 48,4 21,2

Радиус инструмента Япр, мм Размер зерна вдоль оси, мкм Искажение зерен в продольном направлении (Да) Размер зерна поперёк оси, мкм Искажение зерен в поперечном направлении (Де)

Поверхностный слой Осевая зона Поверхностный слой Осевая зона

8 36,1 54,7 18,6 31,2 48,4 17,2

4 36,5 54,7 18,2 31,7 48,4 16,7

2 37,3 54,7 18,4 32,6 48,4 15,8

1 38,2 54,7 16,5 33,5 48,4 14,9

Экспериментально установлено, что увеличение профильного радиуса инструмента (от 1 до 8 мм) приводит к уменьшению размеров зерен на 4% в осевом направлении, а в поперечном - на 5%. Увеличение продольной подачи рабочего инструмента (от 0,07 до 0,3 мм/об) приводит к увеличению размеров зерен на 13,4%, в осевом направлении, а в поперечном - на 14,6%. Поворот инструмента в направлении по часовой стрелке от 0 до +450 приводит к увеличению размеров зерен на 2,5% в осевом направлении, а в поперечном - на 3,8%, но поворота от

+45 до +85 приводит к уменьшению размеров зерен на 2,7% в осевом направлении, а в поперечном - на 3,5%. Поворот инструмента против часовой стрелки приводит к уменьшению размеров зерен на 6,1% в осевом направлении, а в поперечном - на 5,1%. Увеличение величины натяга от 0,05 до 0,4 мм приводит к уменьшению размеров зерен на 18,4% - в осевом направлении, а в поперечном -на 20,7%. Натяг является эффективным параметром для измельчения зерна металла. Увеличение частоты вращения заготовки от 50 до 250 об/мин приводит к уменьшению размеров зерен на 21,2% - в осевом направлении, а в поперечном -на 16,3%.

3.7 Определение микротвёрдости по глубине упроченного слоя

Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей характеризуются глубиной и степенью наклепа поверхностного слоя. Наклеп оценивается величиной микротвердости и глубиной упрочненного слоя. Результаты измерения микротвердости в поверхностном слое деталей оценивают эффект упрочнения при осциллирующем выглаживании.

На рис. 3.22 показано для примера распределения микротвёрдости по глубине поверхностного слоя при изменением профильного радиуса инструмента.

« 2800

^ 2700 >

И

2600

н и

® 2500 а

§ 2400

0 а

1 2300

2200 2100

Я2 /

Я4 / К8

1

/

Рисунок 3.22 - Распределение микротвёрдости по глубине поверхностного слоя при изменении профильного радиуса рабочего инструмента

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Глубина, И, мкм

Влияние параметров осциллирующего выглаживания на величину микротвёрдости и глубину поверхностного слоя представлено в таблице 3.5.

107

Таблица 3.5 - Микротвёрдость и глубина наклепанного слоя заготовки при

осциллирующем выглаживании

Подача инструмента Б, мм/об 0,07 0,11 0,14 0,19 0,30

Микротвёрдость, НУ, МПа 2734 2721 2704 2685 2672

Глубина упрочнения И, мм 2,40 2,37 2,34 2,31 2,28

Угол поворота инструмента а, град -45 -20 0 +45 +85

Микротвёрдость, НУ, МПа 2845 2804 2704 2632 2675

Глубина упрочнения И, мм 2,70 2,46 2,34 2,25 2,28

Частота вращения заготовка пз, об/мин 50 100 125 160 250

Микротвёрдость, НУ, МПа 2632 2704 2738 2812 2841

Глубина упрочнения И, мм 2,25 2,34 2,40 2,76 3,06

Величина натяга 1:, мм 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4

Микротвёрдость, НУ, МПа 2686 2704 2761 2782 2842

Глубина упрочнения И, мм 2,28 2,34 2,52 2,58 3,15

Профильный радиус рабочего инструмента Ядр, мм 1 2 4 8

Микротвёрдость, НУ, МПа 2745 2715 2704 2672

Глубина упрочнения И, мм 1,86 1,95 2,25 2,85

Результаты экспериментальных исследований показывают, что изменение профильного радиуса инструмента незначительно влияет на микротвердость поверхностного слоя. С увеличением профильного радиуса рабочего инструмента от 1 до 8 мм микротвердость поверхностного слоя снижается на 2,7%; глубина

упрочнения повышается, примерно, на 45%. Изменение величины продольной подачи рабочего инструмента (от 0,07 до 0,3 мм/об) незначительно влияет на микротвердость поверхностного слоя и глубину упрочнения (изменение не превышает 3%). С увеличением подачи с 0,07 до 0,3 мм/об микротвердость поверхностного слоя снижается на 2,3%; глубина упрочнения снижается на 5,0%. Изменение угла поворота рабочего инструмента (от -400 до +850) тоже слабо влияет на микротвердость поверхностного слоя (изменение не превышает 8%). Глубина упрочнения составляет 2,28 - 2,70 мм. Поворот инструмента в направлении по часовой стрелке от 0 до +450 приводит к уменьшению микротвердости поверхностного слоя на 2,7%, а поворот от +45 до +850 приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя на 1,8%. Поворот инструмента против часовой стрелки от 0 до -450 приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя на 5,1%. С увеличением натяга от 0,05 до 0,4 мм микротвердость поверхностного слоя повышается на 5,8%; глубина упрочнения повышается на 38%. При осциллирующим выглаживании с величиной натяга 1 = 0,4 мм получена максимальная глубина упрочнения (И = 3,15 мм). Изменение частоты вращения заготовки (от 50 до 250 об/мин) незначительно влияет на микротвердость поверхностного слоя (изменение не превышает 10%). Если увеличивать частоту вращения заготовки от 125 до 250 об/мин, то величина микротвердости будет резко возрастать из-за разрушения поверхности вследствие перенаклепа. Глубина упрочнения составляет 2,25 - 3,06 мм. С увеличением частоты вращения заготовки от 50 до 250 мм/об микротвердость поверхностного слоя повышается на 2,2%; глубина упрочнения повышается на 36%.

3.8 Исследование регулярного микрорельефа при осциллирующем выглаживании

Как изложено в главе 2 при осциллирующем выглаживании формы канавки микрорельефа на поверхности формируются двух видов: параллельные и переплетенные. Форма канавки микрорельефа на поверхности слоя зависят от отношения ф, если {^}=0; канавки параллельные, а если 0 <{1}< 1; канавки перепле-

таются. Взаиморасположения канавок и формы канавки микрорельефа на поверхности слоя зависят от отношения 1:

1 = Пос /пз = [1]+{1}

где И - целая часть числа ^ а {i} - дробная часть числа г

При {1}=0 - канавки параллельные, если {1} = 0,5 - стыковые, при 0,5 > {¿} > 0 - переплетенные (см. рис. 3.23).

Для проверки адекватности полученных математических моделей, проведены экспериментальные исследования обработки инструментом со скользящим контактом [45,47,48]. Исследования проведены на токарном станке модели 1К62 с помощью устройства для создания осциллирующего движения рабочему инструменту (рис. 3.3).

а) б) в)

Рисунок 3.23 - Зависимость формы микрорельефа поверхностного слоя от величины |1}: а) |1} = 0 ; б) |1} = 0,5 ; в) |1} = 0,25

Характеристики образца: форма поверхности - цилиндрическая; диаметром 23 мм; материал - сталь 45; упругопластический, упрочняющийся; индентор: тип - пластина с рабочей поверхностью скругления Кпр = 1 мм; материал - быстрорежущая сталь Р18, величина подачи инструмента б = 1 мм/об., угол поворота инструмента а = 100, частота осцилляции деформирующего элемента п^ = 40 дв.ход/мин, амплитуда осцилляции деформирующего элемента е = 30 мм, частота вращения заготовки (п3) изменялась от 12,5 до 40 об/мин.

Подставляя пос; е; а; б, в формулы (2.1-2.5), получаем траектории точки контакта (канавки) при осциллирующем выглаживании ( рис. 3.24).

Рисунок 3.24 - Зависимость формы микрорельефа поверхностного слоя от частоты вращения заготовки:«^ п3 = 40 об./мин ({1} = 0); б) пз = 12,5 об./мин ({Ц = 0,2) а) б)

На рис. 3.25 показана изменение формы микрорельефа поверхностного слоя при разной частоте вращения заготовки.

а) б)

Рисунок 3.25 - Фото траектории следов перемещения точки контакта инструмента по обрабатываемой поверхности а) п3 = 40 об./мин (0) = 0); б) п3 = 12,5 об./мин (0} = 0,2)

Изменение частоты вращения заготовки приводит к изменению взаиморасположения канавок и формы канавки микрорельефа на поверхности слоя, которая зависят от отношения 1, если {¿} = 0; канавки располагаются по схеме рис. 3.25. а (параллельные), а если {¿} = 0,2; канавки располагаются по схеме рис. 3.25, б (переплетаются). Полученный результаты экспериментального определения зависимости формы микрорельефа поверхностей слоя от частоты вращения заготовки хорошо согласуются с аналитическим расчетом (см. рис. 3.24).

Выводы по главе 3

Осциллирующее выглаживание является новым отделочно-упрочняющим

процессом, целесообразность внедрения которого необходимо оценить с помо-

111

щью экспериментальных исследований качества поверхностного слоя. На основе экспериментальных исследований установлено, что осциллирующее выглаживание как один из способов ППД позволяет формировать в поверхностном слое деталей благоприятное физико-механическое состояние. После осциллирующего выглаживания шероховатость поверхности снижается, размеры зерен в поверхностных слоях уменьшаются, твердость поверхностного слоя повышается, формируются остаточные напряжения сжатия на поверхности детали.

1. В ИРНИТУ разработан новый способ отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием. Новизна подтверждена двумя патентами РФ. Способ является универсальным так как позволят выполнять отделочно-упрочняющую обработки и формировать регулярный микрорельеф на поверхности детали.

2. Осциллирующее выглаживание существенно снижает шероховатость поверхности после механической обработки. Так, параметр Ra снижается в 3-6 раза, а Кг в 2-4 раза. Наименьшая шероховатость поверхности получена при обработке с режимами: скорость деформирования ограничивается 8-9 м/мин, натяг t = 0,1 -0,15 мм, угол поворота рабочего инструмента от 100 до +450, частота осцилляции инструмента п^ = 40 дв.ход/мин, подача инструмента находиться в интервале от 0,07 до 0,11 мм/об.

3. Увеличение угла поворота инструмента против часовой стрелки приводит к увеличению величины осевых остаточных напряжений сжатия на 30%, а тангенциальных на 48%. Увеличение угла поворота инструмента в направлении по часовой стрелке тоже приводит к увеличению величины осевых остаточных напряжений сжатия на 44%, а тангенциальных на 47%. Увеличение величины натяга от 0,05 до 0,4 мм приводит к увеличению осевых остаточных напряжений сжатия на 62%, а тангенциальных на 98%. При увеличении частоты вращения заготовки от 50 до 250 об/мин остаточные напряжения сжатия возрастают на 2325%. Увеличение профильного радиуса деформирующего инструмента приводит к повышению величины сжимающих остаточных напряжений. Результаты экспериментального определения убедительно подтверждают, результаты компьютер-

112

ного моделирования по определению остаточных напряжений при осциллирующем выглаживании (отклонение составляет 6 - 9%).

4. Изменение размеров зерен металла происходит только в поверхностных слоях, причем в осевом направлении образца зерна уменьшаются на 27 - 45%, а в поперечном - на 30 - 44%. Микротвердость поверхностного слоя после осциллирующего выглаживания повышается в среднем на 23%. С увеличением профильного радиуса рабочего инструмента от 1 до 8 мм микротвердость поверхностного слоя снижается на 2,3%. Изменение величины продольной подачи рабочего инструмента (от 0,07 до 0,3 мм/об) незначительно влияет на микротвердость поверхностного слоя и глубину упрочнения (изменение не превышает 3%). С увеличением подачи с 0,07 до 0,3 мм/об микротвердость поверхностного слоя снижается на 2,3%. Изменение угла поворота рабочего инструмента (от -850 до +850) не влияет на микротвердость поверхностного слоя (изменение не превышает 8%). Изменение величины натяга (от 0,05 до 0,5) незначительно влияет на микротвердость поверхностного слоя (изменение не превышает 4%).

5. Результаты измерения отклонения от круглости показывают, что после осциллирующего выглаживания отклонение от круглости снижается в 2-3 раза. Изменение продольной подачи оказывает влияние на изменения отклонения от круглости (на 52%). С увеличением подачи от 0,07 до 0,3 мм/об отклонение от круглости повышается на 49%. При угле поворота рабочего инструмента от 00 до 850, отклонение от круглости изменяется на 13%, а при угле поворота рабочего инструмента от -30 до -850, отклонение от круглости резко возрастает из-за разрушения поверхности вследствие перенаклепа. При увеличении частоты вращения заготовки от 50 до 160 об/мин, отклонение от круглости возрастает почти в 2 раза. При частоте вращения заготовки пз = 250 об/мин, отклонение от круглости резко возрастает из-за разрушения поверхности вследствие перенаклепа. С увеличением натяга от 0,05 до 0,5 мм отклонение от круглости снижается на 16%. Изменение величины профильного радиуса рабочего инструмента незначительно оказывает влияние на изменения отклонения от круглости (на 14%). С увеличени-

ем профильного радиуса рабочего инструмента от 1 до 8 мм величина отклонение от круглости снижается на 12%.

6. Глубина упрочнения составляет 1,86 - 3,15 мм. При осциллирующим выглаживании с величиной натяга 1 = 0,4 мм получена максимальная глубина упрочнения (И = 3,15 мм), но при такой величины натяга обычно происходит перена-клоп материала и разрушение поверхностного слоя.

7. Изменение частоты вращения заготовки приводит к изменению взаиморасположения канавок и формы канавки микрорельефа на поверхности слоя, которая зависят от отношения 1, если {¿} = 0; канавки располагаются по схеме рис. 3.29. а (параллельные), а если {¿} = 0,2; канавки располагаются по схеме рис. 3.29, б (переплетаются). Полученный результаты экспериментального определения зависимости формы микрорельефа поверхностей слоя от частоты вращения заготовки хорошо согласуются с аналитическим расчетом.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УПРОЧНЕНИЮ ДЕТАЛЕЙ ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ

В работе рассмотрен новый способ отделочно-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием. Для того чтобы оценить достоинства и недостатки этого способа по сравнению с другими в данном разделе представлены результаты экспериментальных исследований.

Качество упрочняющей обработки оценено по результатам измерения шероховатости, твердости, остаточных напряжений, микроструктуры и микротвердости по глубине упроченного слоя.

4.1 Оценка качества поверхностного слоя деталей, упрочненных разными способами поверхностного пластического деформирования

Для сопоставления качества поверхностного слоя упрочненных деталей исследовано два способа ППД: обкатывание роликом и осциллирующее выглаживание. Образцы для исследования были упрочнены разными способами, но с одинаковой величиной натяга. На рисунке 4.1 показаны два схемы поверхностного пластического деформирования.

/

а

а) обкатывание роликом в) осциллирующим выглаживанием

1 - заготовка, 2 - ролик 1 - рабочий инструмент; 2 - заготовка

Рисунок 4. 1 - Схемы технологических способов ППД

В процессе обкатывания локальным индентором заготовка вращается (пз) относительно центральной оси, а ролик, находящийся в контакте с обрабатывае-

мой поверхностью, вместе с обкатным приспособлением совершает продольную подачу Б (рисунок 4.1. а).

Схема осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей представлена на рисунке 4.1.в. В качестве рабочего инструмента использована пластина, имеющая скругление на одном из торцев по радиусу Кпр. Эта часть пластины является рабочим элементом, который прижимается к вращающейся обрабатываемой заготовке. Пластина может поворачиваться по и против вращениея часовой стрелки относительно вертикальной плоскости на некоторый угол а, а также совершать осциллирующее вертикальное движение относительно оси заготовки и перемещаться в осевом направлении по направлению подачи Б.

Для сопоставления качества поверхностного слоя упрочненных деталей исследование выполняли на цилиндрических образцах диаметром 23 мм, изготовленных из стали 45. Абсолютное обжатие для обоих способов упрочнения приняли равным 0,1 мм.

Обкатывание проводили на токарном станке 1К62 цилиндрическом роликом из стали У10А, диаметром 30 мм с радиусом профиля г = 4мм. Осциллирующее выглаживание проводили на токарном станке 1К62, профильный радиус рабочего инструмента Япр = 4 мм; материал - быстрорежущая сталь Р18.

При упрочнении образцов разными способами ППД были выбраны следующие параметры и режимы обработки: обкатка цилиндрическим роликом на токарном станке: продольная подача 5 = 0,14 мм/об, натяг t = 0,10 мм, частота вращения заготовки пз = 100 об/мин. Режимы осциллирующего выглаживания: частота вращения заготовки п3 = 100 об/мин; частота осцилляции инструмента пда.х = 40 дв.ход/мин; натяг t = 0,10 мм; амплитуда осцилляции деформирующего инструмента е = 30 мм; продольная подача инструмента б = 0,14 мм/об; угол поворота рабочего инструмента а = 450. Приведенные режимы упрочняющей обработки приняты по литературным данным [42]. Такие режимы обеспечивают наилучшее качество поверхностного слоя для каждого вида упрочнения.

Шероховатость упрочненных деталей. На рис. 4.2 представлены величины показателей шероховатости Ка и Кг в зависимости от способов обработки.

116

Яа, мкм

Я^, мкм

4,5 4 4,06

3,5

■■ ■

3