CC BY
56
УДК 621.757:62- 752
Лаптев В.А., Родимов Г.А., Шапошников С.Д.
Самарский государственный технический университет
ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ СБОРКИ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Аннотация. В статье обсуждаются результаты экспериментальных исследований влияния ультразвуковых колебаний на деформационное упрочнение поверхностного слоя деталей подвижных соединений в процессе сборки.
Ключевые слова: деформация, сборка, ультразвуковые колебания, упрочнение.
Повышение качества выпускаемой продукции является важной особенностью современного состояния технологии машиностроения. Вместе с тем, сборка концентрирует в себе все результаты предыдущих этапов технологического процесса. Вследствие отклонений размеров, формы, относительного расположения и других параметров состояния поверхностей деталей при сборке приходится решать проблемы, связанные с достижением точности замыкающего звена размерной цепи и требуемых функциональных показателей. Поэтому повышение качества соединений путем технологического обеспечения их требуемых функциональных параметров, непосредственно в процессе сборки является актуальной научно-технической задачей.
Исследование влияния ультразвуковых колебаний на деформационное упрочнение поверхностного слоя деталей подвижных соединений проводилось с использованием разработанного технологического оснащения и установки, приведенной на рис. 1. Основными элементами устройства являются: магни-тострикционные преобразователи 1 и 2. Преобразователь 1 предназначен для сообщения продольных ультразвуковых колебаний валу 3, а преобразователь 2 - для поперечных (радиальных) ультразвуковых колебаний втулке 4, устанавливаемых в цанговых патронах 5 и 6. Магнитострикционный преобразователь 2 смонтирован на вале редуктора и имеет реверсивное вращение. Деформационное упрочнение поверхностного слоя деталей после ультразвуковой сборки с последующей разборкой соединений определялось на приборе ПМТ-3, путем измерения микротвердости методом «косых срезов».
Изучалось влияние на степень и глубину упрочнения, различных параметров колебаний и режимов сборки.
Рис. 1. Схема установки для ультразвуковой сборки
На рис. 2 представлены результаты исследований микротвердости поверхностного слоя вала из стали 45 при сообщении втулке из стали ШХ15СГ (HRC 62...64) радиальных (поперечных) ультразвуковых колебаний, на вал - тангенциальных (продольных) колебаний. Установлено, что величина степени (UH) и глубины упрочнения (h) определяется амплитудой ультразвуковых колебаний, увеличиваясь с ростом последней. Так, если при обычной сборке UH составляет 40%, а глубина упрочнения h =75 мкм, то при % =5 мкм UH равно 55%, h =90 мкм. Дальнейший рост амплитуды до 20 мкм сопровождается повышением степени упрочнения до 73% и глубины до 135 мкм (рис. 2, б).
Результаты проведенных исследований показывают, что введение в зону соединения тангенциальных ультразвуковых колебаний оказывает более интенсивное воздействие на пластическую деформацию поверхностного слоя по сравнению с радиальными. В частности, глубина упрочненного слоя
Рис. 2. Влияние амплитуды УЗК на микротвердость поверхностного слоя вала собиравшегося со втулкой
Вал - сталь 45; втулка - сталь ШХ15СГ; У =0,0015 м/с; £=0,015 мм; d=15 мм;
1 - обычная запрессовка; 2 - %=5 мкм; 3 - %=10 мкм; 4 - %=15 мкм; 5 - %=20 мкм; а) - радиальные (поперечные) УЗК; б) - тангенциальные (продольные) УЗК
Вместе с тем, при больших значениях тангенциальных ультразвуковых колебаний наблюдается снижение поверхностной микротвердости, причем, при % =15 мкм она даже ниже, чем у соединений, собранных с % =10 мкм. Следующим фактором, во многом определяющим степень пластической деформации поверхностного слоя деталей, является скорость запрессовки. Как видно из графиков на рис. 3, увеличение скорости ведет к снижению степени и глубины упрочнения. Так, если при У = 0,001 м/с, UH составляет 16%, h =150 мкм, то при У =0,005 м/с, UH уменьшается до 68%, при глубине зоны деформирования 105 мкм. Увеличение скорости запрессовки до 0,01 м/с, снижает UH еще на 12%, а h до 90 мкм.
Иначе происходит пластическое деформирование поверхностного слоя при сборке деталей, обладающих одинаковыми физико-механическими свойствами. Для сравнительной оценки влияния направления и амплитуды ультразвуковых колебаний на степень и глубину упрочнения использовалась приведенная выше схема сборки, но вал и втулка при этом изготавливались из стали 45.
Рис. 3. Влияние скорости запрессовки на микротвердость поверхностного слоя при ультразвуковой сборке
Сталь ШХ15СГ - сталь 45; £=0,015 мм; %=20 мкм;
1 - V=0,001 м/с; 2 - V=0,005 м/с; 3 - V=0,01 м/с
Установлено, что и в этом случае определяющее влияние на состояние поверхностного слоя оказывает амплитуда колебаний, но в отличии от предыдущих исследований, где производилась сборка деталей из материалов с разными характеристиками прочности и пластичности, в рассматриваемом случае более эффективным с точки зрения достижения больших величин степени и глубины деформационного упрочения оказалось введение в зону соединения радиальных (поперечных) ультразвуковых колебаний.
Кроме того, исследования позволяют сделать вывод, что поверхностный слой детали, которой сообщают колебания, приобретает большую степень и глубину упрочнения по сравнению с поверхностным слоем контрдетали рис. 4.
Отмеченные выше особенности пластической деформации поверхностного слоя при ультразвуковой сборке можно объяснить следующим образом.
При сборке закаленной втулки с валом, обладающим более высокой пластичностью, с радиальными ультразвуковыми колебаниями, поверхность вала подвергается высокочастотному ударноциклическому воздействию с силой Ру3, которую в первом приближении можно принять пропорциональной некоторой приведенной массе втулки.
Рис. 4. Зависимость глубины и степени деформационного упрочнения от направления и амплитуды УЗК
Материал деталей - сталь 45; £=0,015 мм; V=0,001 м/с;
1 - вал; 2 - втулка;
а) - тангенциальные (продольные) колебания вала; б) - радиальные (поперечные) колебания втулки
Поэтому в связи с локальностью пластической деформации степень упрочнения поверхностного слоя возрастает по сравнению с обычной сборкой. Наложение тангенциальных ультразвуковых колебаний непосредственно на вал способствует значительному снижению сопротивления пластическому деформированию. Это интенсифицирует процесс упрочнения поверхностного слоя в условиях ударноциклического взаимодействия вала и более прочной втулки, происходящего за счет изменения его диаметра на величину, сопровождающую изменение длины. При сборке деталей, материал которых обладает одинаковыми пластическими свойствами, важную роль играет изменение пластических свойств у сборочного элемента, которому сообщают ультразвуковые колебания.
Таким образом, в результате высокочастотного ударно-циклического взаимодействия более твердой и менее твердой поверхностей большее поверхностное пластическое деформирование приобретает последняя. Также следует отметить, что происходящее под воздействием ультразвука упрочнение, более устойчиво к последующему нагружению узла [1].
Проведенные исследования дают возможность разработать практические рекомендации по назначению режимов процесса и параметров ультразвуковых колебаний, позволяющих управлять состоянием поверхностей сопряжения с целью повышения их эксплуатационных показателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нерубай М.С. Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства труднообрабатываемых материалов. / М.С. Нерубай // Металловедение и термическая обработка материалов. 1987. № 4. С. 10-13.
