Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Расширение технологических возможностей ППД статико-импульсным нагружением очага деформации

Расширение технологических возможностей ППД статико-импульсным нагружением очага деформации

Выход из строя деталей машин часто связан с разрушением их поверхности. Для создания поверхностного слоя, обеспечивающего требуемую работоспособность и надежность деталей, успешно применяется обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД). Врезультате упрочнения ППД формируется поверхностный наклепанный слой, изменяется исходная микрогеометрия поверхности. Наклеп характеризуется степенью упрочнения, которая в инженерной практикеобычно определяется изменением твердости[1,2].

Для достижения большой степени упрочнения используются статические способы ППД (выглаживание, обкатывание, раскатывание, дорнование) и некоторые динамические (дробеструйная обработка). При этом снижается исходная шероховатость, вибрационным накатыванием или выглаживанием может быть сформирован регулярный микрорельеф, благоприятно влияющий на износостойкость деталей. Для получения большой глубины упрочнения применение статических способов ППД часто нерационально из-за большой энергоемкости процесса. С этой целью используются динамические способы ППД, отличающиеся высокой энергией удара (чеканка). Динамические способы ППД обеспечивают большую глубину и степень упрочнения, но более грубую микрогеометрию поверхности, для улучшения которой необходима последующая финишная обработка [2].

Для повышения эффективности упрочнения ППД и увеличения номенклатуры упрочняемых деталей необходимо создание способа ППД, обеспечивающего получение поверхностного слоя с большой степенью и глубиной упрочнения, требуемой микрогеометрией и возможностью формирования регулярного микрорельефа.

Резервы могут быть найдены при использовании комбинированной статической и динамической нагрузки. Технология упрочнения при этом включает следующие этапы: предварительное статическое и последующее периодическое динамическое (импульсное) нагружение инструмента (рис. 1). Предварительное статическое нагружение создает благоприятные условия для более полной передачи обрабатываемой поверхности концентрированного потока энергии в виде ударного импульса требуемой формы. Кроме того, под действием статической нагрузки происходит сглаживание границ вмятин, образованных на упрочненной поверхности динамической нагрузкой.-

На основании вышеизложенного предложен способ статико-импулъсной обработки (СИО) [3...5], который отличается нагружением очага деформации управляемым импульсным воздействием с высокой энергией, варьируя параметрами которого можно обеспечивать требуемое состояние поверхностного слоя детали.

Для того чтобы успешно применять на практике предложенный способ упрочнения, необходимо решить следующие задачи:

• рассчитать ударную систему для реализации управляемого импульсного воздействия в условиях упрочнения ППД;

• разработать устройство, реализующее статико-импульсную обработку;

• дать рекомендации по использованию СИО для упрочнения деталей машин.

Первая задача - расчет ударной системы - решалалась: в соответствии с волновой теорией Сен-Венана и методикой, изложенной в [6]. Известно, что при нагружении среды с одинаковой энергией удара могут быть получены

Рис. 1. Схема нагружения упрочняемой поверхности при статико-импульсной обработке:

1 - боек; 2 - волновод; 3 - инструмент; 4 — упрочняемая поверхность; Ри — импульсная нагрузка; Рст - статическая нагрузка; Рк— контактная сила в очаге деформации; S-подача детали относительно инструмента; L1, L2 -соответственно длина бойка и волновода; d1, d2- соответственно диаметр поперечного сечения бойка и волновода

различные результаты. Это особенно характерно для ударов с большой энергией и связано с волновыми процессами, происходящими в ударной системе при ударе. Волновыми процессами можно управлять изменением геометрических параметров и материалов элементов ударной системы, включающей боек, промежуточное звено (волновод) и инструмент.

При соударении бойка и волновода цилиндрической формы формируется прямоугольный импульс, отличающийся от импульсов других форм наиболее полным использованием энергии удара и одной из самых малых амплитуд. При этом возможны различные соотношения площадей поперечных сечений бойка и волновода r = = F1/F2: r < 1, r =1,г > 1. На практике используется соотношение r >= 1 вследствие несомненных преимуществ с точки зрения обеспечения рациональной величины коэффициента передачи энергии удара.

Анализ волновых состояний элементов ударной системы показал, что изменение соотношения длин бойка и волновода n = L1/L2 сопровождается изменением количества энергии хвостовой части импульса.

При динамических методах упрочнения ППД, как правило, применялись ударные импульсы с большой амплитудой и малой длительностью и хвостовая часть ударного импульса, образованная за счет отраженных волн деформации, не использовалась (рис. 2) [4].

Определены два случая, когда формы ударных импульсов в пятне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью будут различными: n =< 1 и n >= 1. Наиболее целесообразно использование соотношения n > 1.

В результате моделирования волновых состояний ударной системы боек - волновод с различными соотношениями r и n получена зависимость для определения величины контактного усилия Рk в очаге деформации в любой момент времени t. Установлено, что на формирование ударного импульса в контакте инструмента с очагом деформации влияние оказывают геометрические параметры и материалы элементов ударной системы боек — волновод, а также коэффициент сопротивления внедрения k, характеризующий зависи¬мость "сила - внедрение".

Рис. 2. Форма импульсов при ударе:

1 - непосредственно шаром; 2 - торцом цилиндрического стержня; 3 -через систему боек - волновод; 4 - по инструменту (шару) через систему боек - волновод

Анализ построенных по модели форм ударных импульсов Pk(t) для различных геометрических соотношений бойка и волновода r и n показывает следующее. При постоянном соотношении площадей поперечных сечений бойка и волновода г с увеличением соотношения их длин n амплитуда головной части и амплитуда хвостовой части импульса увеличивается, причем амплитуда хвостовой части в большей степени. При постоянном соотношении длин бойка и волновода n и r увеличением г амплитуда хвостовой части импульса увеличивается, а головной части - уменьшается. Изменяя таким образом геометрические параметры ударной системы n и r, можно подбирать такие геометрические параметры бойка и волновода, которые позволяют пролонгировать ударный импульс и расходовать на процесс упруго пластической деформации обрабатываемого материала не только энергию головной части импульса, но и энергию его хвостовой части. Установлены эффективные соотношения длин и площадей поперечных сечений бойка и волновода: n = 3...5, r= 1...3.

При сообщении ударной системой боек - волновод импульса в очаг деформации форма инструмента и способ его крепления на волноводе будут отражаться на форме импульса, искажая его. Для повышения управляемости процессом СИО проведены исследования влияния формы и размеров инструмента на передачу ударного импульса в очаг деформации. Исследования проводились на специально разработанном эспериментальном стенде [7], позволяющем моделировать процесс СИО при однократном воздействии инструмента на упрочняемую поверхность.

Полученные осциллограммы показывают, что при увеличении радиуса деформирующей поверхности инструмента импульс становится все более похожим на импульс, сформированный при ударе плоским торцом волновода. Близкое сходство наблюдается уже при значениях радиуса деформирующей поверхности инструмента более 12 мм. Установлено, что на энергию импульса оказывает значительное влияние форма инструмента, и малое - размеры деформирующей поверхности. Несмотря на наибольшие потери энергии при прохождении импульса через ролик, СИО дисковым и резьбовым роликом позволяет пролонгировать действие контактной нагрузки, обеспечивая наиболее полную реализацию энергии импульса. Полученные результаты были учтены при назначении параметров элементов ударной системы.

Вторая задача - разработка конструкции ударного устройства для реализации СИО решалась в соответствии с рассчитанными геометрическими параметрами ударной системы по вышеизложенной методике.

В результате анализа существующих ударных устройств установлена целесообразность применения для СИО гидравлических генераторов импульсов. Сложности их изготовления компенсируются в 5...6 раз большим КПД и на порядок большей энергией удара, малыми габаритными размерами, плавностью регулирования частоты и энергии ударов. Для упрочнения деталей ППД такие устройства практически не использовались.

Для СИО ППД разработано, выполнено в металле и запатентовано специальное гидроударное устройство - генератор механических импульсов (ГМИ) [8,9]. Назначение требуемой частоты и энергии ударов ГМИ производится на основании расчетов по разработанной математической модели. В зависимости от расхода и давления рабочей жидкости определяется энергия и частота ударов для различных типоразмеров ГМИ. Реализована в металле конструкция ГМИ с максимальной энергией ударов 300...400 Джпри частоте 15...25 Гц и максимальной частотой ударов 40 Гц при энергии 160 Дж. Расчеты по модели проверены испытаниями опытного образца ГМИ [9].

Для решения третьей задачи - оценки состояния поверхностного слоя упрочненного СИО, проведены экспериментальные исследования с использованием разработанного ГМИ.

Исследования проводились на специально изготовленном стенде, обеспечивающем возможность подачи обрабатываемой детали относительно инструмента. Для испытаний использовались образцы из сталей 40Х, 9ХС, 110Г13Л, марки которых часто применяются для изготовления тяжелонагруженных деталей машин (детали несоосных винтовых механизмов, рабочие органы строительно-дорожных машин, сердечники крестовин стрелочных переводов и т.д.) и стали 45, как общепринятого эталона.

В результате СИО максимальная степень упрочнения поверхности на образцах из стали 110Г13Л составила 150 %, стали 45 - 50 %, стали 40Х - 20 %, стали 9ХС -20 %. При этом глубина упрочненного слоя составила соответственно 10, 7, 6, 4 мм.

Исследование влияния формы ударного импульса на глубину и степень упрочнения показали, что для сталей с небольшой исходной микротвердостью (около 1500 МПа) целесообразно производить упрочнение ударным импульсом с небольшой длительностью и высокой амплитудой (до 80 мкс, более 40 кН). С увеличением исходной микротвердости упрочняемой стали, при неизменных условиях, граница эффективной длительности импульса будет повышаться, а, соответственно, граница амплитуды снижаться. Для стали с исходной микротвердостью 3500 МПа целесообразно производить упрочнение ударными импульсами с длительностью более 120 мкс и амплитудой до 20 кН.

В результате анализа влияния размеров деформирующего инструмента на глубину и степень упрочнения установлено, что для получения большой степени упрочнения на малой глубине следует уменьшать радиус кривизны деформирующего инструмента. Увеличение радиуса кривизны инструмента будет снижать степень упрочнения, но увеличивать глубину упрочненного слоя. Для каждого режима упрочнения и конкретного обрабатываемого материала существует радиус кривизны инструмента, при котором достигается максимальная степень упрочнения на максимальной глубине. Так, например, при СИО с энергией удара 200 Дж, стержневыми роликами шириной 10 мм максимальная степень и глубина упрочнения для образцов, изготовленных из стали 45, достигается роликами диаметром 18 мм, для образцов, изготовленных из стали 40Х, - роликами диаметром 12 мм.

Установлены значения скорости подачи заготовки относительно инструмента, обеспечивающие различную степень перекрытия пластических отпечатков, что позволяет изменять равномерность, глубину и степень упрочнения поверхностного слоя, устанавливать требуемую шероховатость, а также шероховатость с регулярным микрорельефом. На основании экспериментальных исследований определена достигаемая в процессе СИО величина шероховатости, которая составляет Ra = 1,6 мкм, при этом возможно снижение исходной шероховатости в 2...3 раза.

Выполненный комплекс исследований позволяет варьировать свойствами упрочненной поверхности за счет изменения энергии ударов, формы ударных импульсов, радиуса кривизны инструмента, скорости подачи детали относительно инструмента. Установлены режимы, позволяющие получить поверхностный слой как с высокой степенью упрочнения и малой глубиной упрочнения, так и с высокой степенью и большой глубиной упрочнения, выявлены режимы, при которых начинается перенаклеп материала. Выявлены условия формирования регулярного микрорельефа, а также поверхностного слоя с различной степенью неравномерности упрочнения

Статико-импулъсная обработка может быть использована для упрочнения и формообразования плоских и цилиндрических поверхностей деталей различных типов и размеров. СИО может также использоваться для формообразования и упрочнения крупных резьб, шлицев и профилей.

В процессе статико-импульсного деформационного формообразования резьбы по сравнению с традиционным накатыванием резьб обеспечивается в 1,7...2,7 раза большая эффективная глубина упрочненного слоя, что способствует повышению долговечности несущих поверхностей. В результате термодеформационного упрочнения резьбы с использованием СИО (термическая обработка заготовки до 30...40 HRC и последующее статико-импульсное накатывание резьбы до 50 HRC и более), ее контактная выносливость повышается в 1,7 раза по сравнению с накатанной резьбой и в 3,1 раза по сравнению со шлифованной резьбой [10].

После упрочнения СИО опытной партии сердечников крестовины Р65 типа 1/11 железнодорожных стрелочных переводов твердость наиболее изнашиваемой части клина и усовиков сердечника повысилась в 2,5 раза (с 260 до 640 HV), а глубина упрочненного слоя достигла 8...9 мм. Опытные сердечники железнодорожных стрелочных переводов были уложены на железнодорожную ветку станции Сасово Московской железной дороги. Результаты эксплуатационных испытаний свидетельствуют о повышении стойкости сердечников в 2,5...3 раза по сравнению с установленными нормами [11].

В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан способ статико-импульсной обработки ППД, позволяющий обрабатывать несущие поверхности деталей управляе¬мыми импульсами деформации. Пролонгация импульса путем варьирования соотношениями геометрических параметров элементов ударной системы, состоящей из бойка и волновода, способствует рациональному использованию энергии удара. СИО позволяет обеспечивать как небольшую, так и значительную глубину упрочнения несущего слоя. Глубина упрочненного слоя достигает 8...10 мм, а степень упрочнения - 150 %. Шероховатость после СИО снижается в несколько раз и может достигать Ка- 1,6 мм. Возможно получение регулярного микрорельефа упрочненной поверхности. Перечисленные возможности позволяют существенно расширить область применения методов ППД, в частности, на детали с большой глубиной несущего слоя.

Литература

1. Смелянский В.М. . Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.

2. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987.328 с.

3. Патент № 2098259. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев. Бюлл. № 34, 1997.

4.Щебров О.М., Киричек А. В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. 4. Упрочнение Упрочнение ответственных поверхностей статико-импульсной обработкой.// Наука производству. М.: 1998. № 11. С. 20-23.

5. Лазуткин А.Г.,КиричскА.В., Соловьев ДЛ. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН. М.: 1999. № 6.С. 20-24.

6. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремъннц В.Э. . Удар. Распространение волн деформации в ударных системах. М.: Наука, 1985. 357 с.

7. Лазуткин А. Г., Киричек А. В., Соловьев Д. Л., Силантьев С. А., Афонин А. Н. Влияние формы инструмента на энергетические характеристики ударного импульса при статико-импульсной обработке / //Проектирование технологических машин: Сб. научн. трудов. М.:МГТУ "СТАНКИН", 1998. Вып. 9. С. 64-71.

8. Лазуткин А. Г., Киричек А. В., Соловьев Д. Л.. Патент № 2090342. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием / Бюлл. № 26, 1997.

9. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А. Ударное устройство для статико-импульсной деформационной обработки // Кузнечно-штамповочное производство. 2002. № 10. С. 35-40.

10. Бушенин Д. В., Киричек А. В., Афонин А. Н.,Кульков И. Б. Сравнение твердости резьбовых профилей, полученных пластическим деформированием различными методами. // Вестник машиностроения.1999. №10. С. 40-43.

11. Соловьев Д. Л., Лазуткин А. Г, Киричек А. В., Силантьев С. А. Упрочнение тяжелонагруженных деталей методом статико-импульсного ППД /// СТИН. 2002. № 5. С. 13-15.


    Д.Л.СОЛОВЬЁВ, канд.техн.наук
    Справочник. Инженерный журнал. №11, 2003, с. 17-20

    Статьи партнеров