Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технология и режимы упрочнения статико-импульсной обработкой

Технология и режимы упрочнения статико-импульсной обработкой

Упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД) - широко распространенная технологическая операция, улучшающая характеристики качества поверхностного слоя деталей машин (твердость, шероховатость, напряженное состояние) [1,2]. Статико-импульсная обработка (СИО) - способ упрочнения ППД, позволяющий рационально расходовать энергию удара при упрочнении [3-6].
Технология упрочнения СИО включает следующие этапы: предварительное статическое и последующее периодическое импульсное погружение инструмента.
Импульсное нагружение осуществляется ударами бойком по волноводу, через который энергия сообщается статически нагруженному инструменту. Упругоплас-тическое внедрение инструмента в обрабатываемую поверхность при СИО происходит в несколько этапов. Вначале сближение инструмента и заготовки осуществляется за счет упругой, переходящей в упругопласти-ческую, деформации исходных микронеровностей, а затем упругопластической деформации основного материала детали с формированием остаточной вмятины.
При СИО упругопластическая деформация микронеровностей осуществляется в результате статической составляющей нагрузки, что обеспечивает плотный контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью, оказывает управляющее воздействие на головную часть импульса, способствуя более полной передаче энергии удара в очаг деформации [4,5]. Последующая деформация осуществляется в основном за счет динамической составляющей нагрузки.
Известно [1], что глубина упрочнения при ППД зависит от степени деформации ε, для наших исследований необходимо соблюдение условия ε ≥ 0,3. Эмпирический закон Герстнера гласит, что за пределом упругости местная деформация складывается из независимо развивающихся упругой и пластической компонент. Величина упругой деформации составляет всего лишь 3...8 % от пластической [1, 7]. Тогда долей энергии ударного импульса, затрачиваемой в процессе СИО на упругую деформацию при внедрении индентора в обрабатываемую поверхность, можно пренебречь, так как она несоизмеримо меньше энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию. Следовательно, допустимо считать, что пластическая деформация при СИО осуществляется за счет энергии динамической составляющей нагрузки.
Удерживая ударную систему боек-волновод-инструмент в контакте с обрабатываемой поверхностью в течение некоторого времени, превышающего длительность ударного импульса, появляется возможность использования для упругопластической деформации энергии не только головной, но и хвостовой части импульса, формирующейся за счет отраженных волн деформации. Этот процесс реализуется посредством разработанного гидравлического генератора механических импульсов (ГМИ) [8].

Техническая характеристика ГМИ:

Энергия удара, Дж
Пределы регулирования частоты ударов, Гц
Давление рабочей жидкости, МПа
Расход рабочей жидкости, л/мин
Максимальная мощность, кВт
Масса, кг
Габариты, мм
Плотность энергии удара в сечении
инструмента, Дж/мм2

60...300
3...40
16
50
8,5
90
220x950x295
0,16

Для более эффективного использования СИО при упрочнении необходимо назначать ее режимы в зависимости от требуемых характеристик качества упрочняемой поверхности. Для управления процессом СИО необходимы математические модели, связывающие параметры качества поверхности с режимами обработки.
Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного СИО с использованием ГМИ, на специально изготовленном стенде, обеспечивающем возможность подачи обрабатываемой детали относительно инструмента, проведены экспериментальные исследования. Значения технологических факторов (частота ударов, приведенный радиус кривизны инструмента, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную точку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6... 10. Из теории ППД известно, что при таких условиях обеспечивается максимальная степень упрочнения, а дальнейшее увеличение кратности деформирующего воздействия может привести к разупрочнению [1].
Испытания проводили на образцах из сталей 40Х, 110Г13Л, которые часто используют для изготовления тяжелонагруженных деталей машин (детали несоосных винтовых механизмов, грейдерные ножи, сердечники крестовин стрелочных переводов и т.д.), и стали 45 как общепринятого эталона. Исследовали микротвердость поверхностного слоя, достигнутую в результате упрочнения СИО плоской поверхности.
При упрочнении плоских поверхностей наиболее производительной является обработка стержневыми роликами. Сравнительный анализ результатов упрочнения СИО с использованием стержневого ролика и шара показал, что при прочих равных условиях глубина и степень упрочнения шаром незначительно превышают глубину и степень упрочнения стержневым роликом. Поэтому в экспериментальных исследованиях в качестве инструмента использовались стержневые ролики диаметром Dp = 10...30 мм и шириной b = 15...40 мм.
Обработка плоских поверхностей образцов из сталей всех перечисленных марок производилась при подаче s = 70 мм/мин, частоте ударов f = 3...10 Гц. Экспериментально установлено, что при выборе f в заданном диапазоне достигается равномерная степень и глубина упрочнения поверхностного слоя по всей обработанной поверхности.
В качестве независимых технологических факторов при проведении экспериментальных исследований были приняты диаметр ролика Dp и удельная энергия удара а = A/b, где А - энергия удара, b - ширина стержневого ролика (а = 4...20 Дж/мм). Полученные экспериментальные данные обрабатывались в пакете Statistica 5.1.
В результате проведенных исследований получена зависимость

где b1, b2...b9 - эмпирические коэффициенты по табл. 1; hμ - глубина упрочненного слоя.

Анализ модели (1) показал, что наибольшая степень упрочнения, при прочих равных условиях, наблюдается у стали 110Г13Л. Микротвердость Hμ стали 110Г13Л при a ≥ 6 и Dp = 10 мм увеличилась более чем на 150 %, стали 45 - на 30 %, а стали 40Х - на 20 %. При этом глубина упрочненного слоя hμ составила соответственно 10; 7 и 6,8 мм.

Таблица 1. Значения эмпирических коэффициентов

b

Сталь 45

Сталь 110ПЗЛ

Сталь 40Х

b1

1,01198

3,521522

0,942086

b2

-0,077769

-0,448921

-0,31361

b3

0,018286

0,04791

0,014083

b4

0,010602

-0,167981

0,004275

b5

-0,001819

0,006021

-0,001437

b6

-0,000562

0,007033

0,000077

b7

-0,000192

0,000258

-0,000212

b8

0,006837

0,028295

0,003969

b9

-0,000291

0,003687

-0,00004

Рассматривая влияние на степень .упрочнения диаметра ролика, установлено, что для стали 45 при удельной энергии а = 20 Дж/мм, максимальная микротвердость достигается при диаметре ролика Dp = 18 мм, для стали 40Х - Dp = 12 мм. С уменьшением удельной энергии эффективный диаметр ролика уменьшается.
Исследования показали, что, исходя из требуемой величины микротвердости, учитывая ограничения по шероховатости и степени упрочнения, можно подбирать соответствующую удельную энергию удара, регулируя настройку ГМИ и подбирая диаметр и ширину ролика.
Исследования напряженного состояния слоя упрочненного СИО с использованием ГМИ показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как и при чеканке. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1... 1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией ППД [1]. При СИО формируются остаточные напряжения сжатия, максимальное значение которых превышает 1000 МПа.
Важным элементом качества упрочненного поверхностного слоя ППД является шероховатость. Экспериментально установлено, что достигаемая в процессе СИО предельная шероховатость Ra = 0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Выводы. В результате выполненных работ установлено, что глубина упрочнения после СИО с использованием ГМИ составляет 6...10 мм, степень упрочнения может достигать до 150 % и более в зависимости от марки стали и размеров инструмента. Формируются остаточные напряжения сжатия, максимальное значение которых превышает 1000 МПа, глубина напряженного слоя в 1,1 ...1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя. Достигаемая в процессе СИО шерохова тость Ra = 0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Исследования проводились при поддержке гранта Минобразования РФ.

Литература

1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справ. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
2. Дрозд М.С., Матлин М.И., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической деформации. М.: Машиностроение, 1986. 244 с.
3. Киричек А.В., Соловьев ДЛ. Способы динамического упрочнения поверхностным пластическим деформированием // Кузнечно-штамповочное производство. 2001, № 7. С. 28-32.
4. А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев Патент № 2098259. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / . Бюлл. № 34, 1997.
5. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев ДЛ. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации// СТИН. М.: 1999. С. 20-24.
6. О.М. Щебров, А.В. Киричек, А.Г. Лазуткин, Д.Л. Соловьев Упрочнение ответственных поверхностей статико-импульсной обработкой. // Наука производству. М.: 1998. № 11. С. 20-23.
7. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования. М.: Объединение "МАШМИР", 1992. С. 60.
8. А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев. Патент № 2090342. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием / . Бюлл. № 26, 1997.

А.В. КИРИЧЕК, Д.Л. СОЛОВЬЕВ

Справочник, инженерный журнал
№2, 2003г. с.17-19

Статьи партнеров