CC BY
47
УДК 621.923.4
ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ОДНОВРЕМЕННО ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ
ИВАНОВА Т.Н., * ДЕМЕНТЬЕВ В.Б.
Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, 617760, Пермский край, г. Чайковский, ул. Мира, 1а *Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В поверхностном слое в зависимости от интенсивности теплообразования возникают напряжения, влияющие на структурные превращения и напряжённое состояние детали. Разработанная графическая и аналитическая методика определения остаточных напряжений позволяет управлять тепловой деформацией деталей из труднообрабатываемых материалов и регулировать распределение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: остаточные напряжения, шлифование, тепловая деформация, глубина и характер структурных превращений, микротвердость.
Физическую основу шлифования составляет возникновение новых поверхностей в ходе пластического течения и разрушения шлифуемого металла. Установление особенностей влияния условий абразивной обработки на структурное состояние и свойства поверхностных слоев деталей позволит обосновать режимы шлифования, управлять теплонапряженностью и остаточными напряжениями [1]. Особенность остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых миллиметра и могут повлиять на прочность всей детали из труднообрабатываемых материалов, особенно при действии переменных напряжений.
Два основных фактора вызывают возникновение остаточных напряжений -пластическая деформация при силовом воздействии и нагревание поверхностных слоев.
Рассмотрим процесс торцового шлифования (период нагревания) детали, заделанной концами в абсолютно жесткие опоры. Считаем, что опоры (в идеализированном виде) отражают части конструкции, не подвергающиеся температурному воздействию.
Если нагреть деталь до температуры t, то в ней возникнут температурные напряжения
а = -Еег, (1)
где ег - температурная деформация
^ = }а*(^ ) (2)
где а* (^ ) - истинный коэффициент линейного расширения при температуре t1 (^ - текущая температура, 0 < ^ < t).
(к
При расчетах принимаем среднее значение коэффициента линейного расширения а(^ при нагреве от 0 до t, так что
t
= |[а*(^)]= а1. (4)
о
Соотношение между истинным и средним значениями коэффициента линейного расширения при температуре t будет:
а(г) = а(г)-1. (5)
Используя средние значения модуля упругости для стали
Е = 2-105 МПа и при
t = 100 °С коэффициента линейного расширения а(^ = 1Ы0-6 1/°С получим о = -220 МПа. Из
а'Ь )=~Г Ч- (3)
0
этого примера видно, что температурные напряжения, возникающие даже при небольшой разности температур, оказываются весьма значительными.
Если температурные напряжения в процессе нагрева будут выше предела текучести материала, то после снятия нагрева в детали останутся остаточные напряжения. Здесь возможны два случая определения остаточных напряжений: когда механические свойства обрабатываемой детали в процессе нагрева остаются либо постоянными, либо изменяются.
Если механические свойства обрабатываемой детали в процессе нагрева остаются постоянными (для углеродистых сталей нагрев до 250 °С, для жаропрочных сплавов - до 450 °С), то графическим методом можно определить остаточные напряжения после нагрева (рис. 1). По оси абсцисс откладывается значение температурной деформации, с обратным знаком. Точка А характеризует напряжение в детали в конце нагрева. При снятии нагрева деформации и напряжения изменяются по прямой ЛЛ\, отрезок ОЛ1 выражает искомые остаточные напряжения. При больших значениях 81 (рис. 1, б) в процессе разгрузки образуются повторные пластические деформации.
а - при упругих деформациях; б — при наличии вторичных пластических деформаций
Рис. 1. Образование остаточных напряжений при нагреве детали (механические свойства материала остаются постоянными в рассматриваемом интервале температуры)
Если в процессе нагрева и охлаждения механические свойства обрабатываемого материала изменяются, то определение остаточных напряжений после значительного нагрева будет следующим. Пусть нагрев осуществляется от температуры ^ до На рис. 2 даны кривые деформирования для указанных температур и двух промежуточных. Вначале рост температурных напряжений идет вдоль кривой 01, при дальнейшем повышении температуры осуществляется «перескок» на кривую 02. Температурное напряжение после нагрева численно равно ординате точки А.
Рис. 2. Определение температурных напряжений в процессе нагрева с учетом изменения механических свойств материала
Для аналитического решения задачи определения остаточных напряжений при нагреве должно быть известно уравнение семейства кривых деформирования при различных температурах
о- = Цг; ») (6)
Тогда
»1
} Ж * (е;»)Же = J »)а* (»)Ж».
(7)
В этом равенстве деформация равна температурной деформации
I
|а* (/) Ш ,
вызванное не только
Рис. 3. Распределение температуры при шлифовании
где а (t) — относительное изменение линейных размеров,
температурным расширением, но и фазовыми, структурными и другими процессами, связанными с температурой.
При отрицательном переднем угле зерна абразивного круга и больших скоростях резания (и > 30 м/с) возникают сжимающие остаточные напряжения у поверхности. При некоторых условиях скоростного резания (с большими отрицательными углами) у сталей, хорошо воспринимающих закалку, в поверхностном слое наблюдается переход аустенита в мартенсит. Такой переход, сопровождающийся увеличением объема, способствует образованию сжимающих остаточных напряжений и компенсирует влияние теплового фактора.
На рис. 3 показана схема распределения температуры при алмазном торцовом шлифовании. В поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхностного слоя со стороны внутренних слоев, т.е. к образованию в нем растягивающих остаточных напряжений. Следует отметить, что для ряда марок сталей, особенно высоколегированных, при охлаждении
образуется поверхностный белый мартенситный слой1 толщиной 0,01 ^ 0,3 мм. Мартен-ситное превращение происходит при увеличении объема обрабатываемого материала, что может компенсировать уменьшение объема при пластической деформации сжатия. Указанное обстоятельство может привести к образованию остаточных напряжений сжатия. Однако в практических случаях влияние температурных деформаций сказывается больше, и после шлифования в поверхностном слое наблюдаются растягивающие остаточные напряжения 40 ^ 80 МПа на глубине 20 ^ 50 мкм. Силовая пластическая деформация, связанная с силой резания, при шлифовании имеет второстепенное значение.
Таким образом, в процессе шлифования (период нагрева) создаются температурные напряжения сжатия, превосходящие предел текучести материала (температурная деформация, превышающая упругую). В результате в обрабатываемом материале образуется остаточная пластическая деформация сжатия. После снятия нагрева размеры детали возвращаются к прежним, но наличие остаточной деформации сжатия вызывает появление остаточных напряжений растяжения.
Рассмотрим процесс шлифования детали при действии смазочно-охлаждающей
жидкости (период охлаждения). При уменьшении температуры от tк до t3 температурные
*
напряжения будут уменьшаться по прямой А3 , параллельной начальному участку кривой -.—* * ОА (рис. 2). При понижении температуры от t3 до t2 напряжение изменяется по прямой 3 2 ,
параллельной начальному участку кривой 03. В точке А' остаточные напряжения достигают
предела текучести и дальнейший рост остаточных напряжений становится небольшим.
В изложенных методах (графическом и аналитическом) определения остаточных напряжений используется предположение о том, что для каждого периода нагрева и охлаждения справедлива зависимость о = ¡(е), свойственная данной температуре, причем переход от одной кривой деформирования к другой осуществляется при постоянстве общей деформации. Как показали наши аналитические исследования остаточных напряжений
£
1 Для жаропрочных сталей структурные превращения в поверхностном слое почти не наблюдаются.
выявление их теоретической зависимости от технологических параметров реального процесса весьма сложно. Поэтому для проверки теоретических зависимостей остаточных напряжений, а также для изучения влияния отдельных параметров процесса шлифования на величину и распределение остаточных напряжений в различных материалах и с использованием различных шлифовальных инструментов широко применяются экспериментальные методы исследований.
Задачей данной части работы являлось создание, на основе анализа существующих способов измерения остаточных напряжений, методики их определения, позволяющей оценить уровень остаточных напряжений в деталях из труднообрабатываемых материалов, характерных для общего и специального машиностроения. Снижение трудоемкости процесса определения остаточных напряжений являлось обязательным условием в силу того, что разрабатываемая методика должна предусматривать возможность ее использования на различных этапах технологических процессов изготовления деталей.
Наиболее распространенными направлениями в области экспериментальных исследований остаточных напряжений являются: механические (разрушающие) и неразрушающие методы.
Механическими методами можно определить остаточные напряжения в телах простой геометрической формы: стержнях, пластинах, цилиндрах, брусках. Для определения остаточных напряжений в телах сложной формы применяют тензометрические методы. Эти методы основаны на локальном нарушении сплошности тела с последующим замером проволочными датчиками либо экстензометрами происходящих при этом деформаций. Затем по обобщенным формулам теории упругости рассчитываются напряжения. По методике освобождения из тела вырезается пластинка с наклеенными на нее проволочными датчиками, и производится замер деформаций. При этом предполагается, что по толщине пластинки напряжения почти распределены равномерно. При резком изменении напряжений в поверхностных слоях рассматриваемый метод не дает удовлетворительных результатов.
Использование проволочных датчиков позволило улучшить классические методы Закса и Н.Н. Давиденкова, т.к. появилась возможность весьма точно замерять деформации образца при удалении слоев. Примеры применения проволочных датчиков для замера деформаций механическими методами можно найти в работах Бюлера, Даля и Мюленвега, А.В. Подзея, П.Е. Дъяченко, С.В. Серенсена и многих других.
Рентгеновские методы определения остаточных напряжений являются наиболее широко распространенными из неразрушающих методов. Их используют для изучения напряжений, как в поверхностных слоях различного вида деталей, так и по сечению изделий. Существуют и промышленно освоенные рентгеновские методы сквозного контроля остаточных напряжений в различных деталях и соединениях. Однако наряду с преимуществами рентгеновского способа, как неразрушающего и в достаточной степени универсального, он имеет ряд весьма крупных недостатков.
Рентгенографическое определение напряжений основано на измерении межатомных расстояний, изменяющихся под действием этих напряжений. Форма рентгеновской линии, полученная в результате отражения гамма-лучей зернами металла, определяет вид и характер деформации кристаллической решетки. Величина и знак этой деформации, по которым с помощью закона Гука определяют остаточные напряжения 1-го рода, зависят от степени и характера смещения рентгенографической линии. Рентгенографическое определение напряжений 2-го и 3-го рода осуществляется по размытию линий рентгенограмм или по ослаблению интенсивности линий высших порядков, которые могут быть чрезвычайно слабыми или вообще отсутствовать. Это связано с появлением напряжений 2-го рода и изменением оптимального угла дифракции из-за фазовых превращений. Поэтому оценить не только раздельно остаточные напряжения различного рода, но и вообще осуществить какую-либо их количественную оценку очень сложно. При рентгеновских исследованиях использование различных углов дифракции приводит к понижению точности оценки остаточных напряжений. Кроме того, напряжения при измерении рентгеновским методом определяются
только на поверхности изделия, что не дает возможности получить полную картину распределения напряжений по сечению. Механическая обработка поверхности перед измерением создает дополнительно остаточные напряжения первого рода на глубине до 0,3 мм, что также влияет на точность измерений. Все это не дает уверенности в точности определения макронапряжений необходимых для оценки влияния остаточных напряжений тонких пластин на коробление и разрушение. Однако возможность определения остаточных напряжений без разрушения детали является значительным преимуществом рентгеновского метода, обусловившим его применение для анализа напряжений на поверхности не тонких деталей.
Кроме рентгеновского, к неразрушающим методам определения остаточных напряжений в детали относятся оптический, магнитный, электросопротивления, измерения твердости, ультразвуковой и др. Методы магнитный и электросопротивления, основанные на изменении магнитных и электрических свойств материала при наличии остаточных напряжений, дают возможность качественного, а в отдельных случаях и количественного определения остаточных напряжений на поверхности детали. Однако оборудование для этих методов дорогое, что ограничивает возможность их применения. Акустические и ультразвуковые методы определения остаточных напряжений мало распространены по аналогичной причине, хотя есть перспективы применения их для исследования без разрушения деталей сложной формы.
Наиболее распространенными методами удаления напряженных слоев металла при исследовании остаточных напряжений являются электролитическое и химическое травление. Первое является предпочтительным, т.к. изменяя плотность тока можно в широких пределах менять или добиваться стабильности снятия металла, что важно при автоматизации записи кривой деформации образца. Поверхности детали, не подлежащие стравливанию, защищаются покрытием. При температуре до 30 °С используют парафин и воск. При более высокой температуре используют лаки ХВЛ-21 и Э-1.
При исследовании остаточных напряжений в деталях из жаропрочных, жаростойких сталей возможно применение методов электрохимического травления. Экспериментальные исследования и расчеты остаточных напряжений проводились по методу Н.Н. Давиденкова. Для этого велось тензометрирование деформаций образцов при непрерывном удалении с них поверхностных слоев путем непрерывного электролитического стравливания и записи кривой деформации на ленту самопищущего электронного потенциометра, вместо которого можно также применять и шлейфовый осциллограф.
Для определения остаточных поверхностных напряжений 1 рода в зависимости от конструкции формообразующей поверхности алмазного инструмента и режимов шлифования обрабатывались пластины размером 250*5*15 мм. С целью устранения влияния скорости истечения СОЖ на процесс шлифования по боковым поверхностям образца устанавливались пластинки 50*5*50 мм из фторопласта. Экспериментальные исследования проводились на станке мод. "MAKINO". Измерение остаточных напряжений осуществлялось посредством установки, входящей в комплекс, позволяющей автоматически записывать на бумагу осциллографа кривую деформации пластины в процессе непрерывного электролитического стравливания поверхностных напряженных слоев. Общий вид установки приведен на рис. 5. В качестве электролита применялся реактив следующего состава: 300 мл ортофосфорной кислоты, 150 мл серной кислоты, 150 мл глицерина, 10 мл воды, 25 мл хромового антигидрида. Равномерное травление по всей поверхности в указанном электролите достигалось при плотности тока 0,2 А/см . Толщина стравливаемого слоя измерялась на специальной установке с точностью до 0,0002 мм. Удаление напряженных слоев произво-дится в ванне (2) из термостойкого стекла. Образец (7) крепится неподвижно на штанге (6). Величина деформации определяется по длине хода толкателя (5), регистрируемого индуктивным датчиком. Величина деформации пластинки определялась с помощью индуктивного датчика, позволяющего измерять перемещения с высокой точностью. Измерительное усилие в точке контакта толкателя с образцом не превышает 0,08 Н, вариация показаний системы - 0,009 мкм.
1 - емкость; 2 - ванна; 3 - стол; 4 - нагревательный элемент; 5 - толкатель; 6 - штанга; 7 - образец;
8 - 9 - контрольные термометры; 10 - термодатчик; 11 - индуктивный датчик; 12 - индикатор;
13 - измерительный комплекс; 14 - осциллограф; 15 - ультратермостат; 16 - источник постоянного тока
Рис. 5. Установка для измерения остаточных напряжений
Известно [2], что при определении деформации в процессе электролитического травления влияние температурных изменений приводит к таким искажениям, что даже знак измеряемой величины может оказаться измененным на обратный. Поэтому постоянство температуры электролита в процессе работы обеспечивается за счет постоянства температуры нагревающей среды - воды. Нагрев воды до определенной температуры и поддержание ее на определенном уровне обеспечивается и с помощью термостата типа УТ-15. При этом точность поддержания температуры, определяемая по контрольным термометрам и при установившемся режиме, составляет ±0,5 °С. Режимы работы термостата, а через него и нагревательного элемента, задаются с помощью термодатчика и поддерживаются системой автоматического регулирования.
Установка обеспечивает получение стабильных результатов, обладает высокой чувствительностью за счет применения универсального измерительного комплекса VU-121 (ГДР), не требует специальной защиты измерительных датчиков от механического и теплового воздействия, удобна и надежна в эксплуатации, благодаря использованию термостата гарантирует повышенную точность измерений по сравнению известными приборами аналогичного назначения.
Напряжения по глубине пластины подсчитываются по формуле [2]:
Ьг
гил 4 Е
3/02 К
0 У
(Н - Ь )2 - 4( Н - Ьг) • / (Ь)+21 / (Ьг )аьт
(9)
где Е - модуль упругости исследуемого материала, МПа; /0 - длина образца, мм; Н - толщина образца, мм; /(Ь ) - величина прогиба, соответствующая толщине Ьт удаляемого слоя;
(Нт) - тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой прогиба в данной точке;
- площадь криволинейного треугольника, ограниченной кривой до данного
сечения, мм; Ку - коэффициент пропорциональности [2].
Например, (рис. 6) Е = 19000 кг/мм;
Н=3,5 мм; Нт = 0,2 мм; / = 1,82 мм;
нт
т /(Нт )(ЛНТ = 0,5- / - АВ = 0,5 •(-1,82) -0,2 = -0,182;
К = 8 - ^ = 8-150 = 24; у I 50
X (Нт) = X = -1,82 =_674.
АВ 0,27
а =
4-19000
3-502-24
кг
-[(3,5-0,2)2(-6,74)-4(3,5-0,2)-(-1,82)+2(-0,182)]=
Рис. 6. Графическая зависимость для расчета и определения остаточных напряжений
=-22,9-^-=-229 МПа. мм2
Проведенные исследования имели цель определить возникающие при шлифовании труднообрабатываемых материалов остаточные напряжения, выявить пути их устранения и дать рекомендации. В различных технологических ситуациях закономерности формирования температурных остаточных напряжений приобретают некоторые особенности, характерные для конкретного шлифовального инструмента. Изучение формирования поверхности при различных условиях алмазного торцового шлифования способствует более полному использованию преимуществ этого метода обработки для достижения высокой производительности процесса и получение требуемого качества обрабатываемых поверхностей. Результаты исследований остаточных напряжений по данной методике представлены ниже.
Исследования по определению остаточных напряжений необходимы для установления влияния варьирования режимов шлифования на изменения напряжений в поверхностном слое плоских деталей из труднообрабатываемых материалов.
Исследования проводились на станке фирмы «МАКШО» с мощностью электродвигателя 10 кВт. В связи с повышением частоты вращения круга была применена установка, обеспечивающая подачу СОЖ с расходом до 50 л/мин при давлении 0,6 МПа. Образцы шлифовали алмазным кругом АЧК 200*32*45 АС6 - МО4 - 4. Круг тщательно уравновешивали на балансировочном станке с аэродинамическими опорами и испытывали на динамическую прочность в соответствии с требованиями ГОСТ 3060-86. На шпиндель инструмент крепили в специальной оправке с постоянным усилием прижима. Эксперименты проводились при постоянной скорости детали 1,5 м/мин, интенсивности съема металла Qм = 1,0 см /мин, давления охлаждающей жидкости 0,1 МПа и с расходом Q = 3,5 л/мин.
Тангенциальные остаточные напряжения определяли путем стравливания напряженных слоев с наружной шлифованной поверхности образца и измерения его деформации. Образцы размером 0 45*10, изготовленные из конструкционной легированной стали 40ХН2МА, закаливали до HRC 48 - 50.
На рис. 7, 8 представлены графики распределения остаточных напряжений, глубины залегания Н, глубины залегания дефектного слоя Н с измененной структурой в поверхностном слое шлифуемого образца в зависимости от скорости шлифовального круга.
Анализ рис. 7 показывает, что увеличение скорости круга с 25 до 80 м/с, практически не изменяет формы кривых, приводит к росту максимальных значений остаточных напряжений, которые на глубине 10 - 15 мкм от шлифуемой поверхности при икр = 80 м/с достигали значений, соизмеримых с пределом прочности обрабатываемого материала. При этом глубина растягивающих напряжений увеличивалась с 60 до 72 мкм.
Металлографическими исследованиями установлено, что при икр = 60 м/с на поверхности шлифуемого образца появись прижоги отпуска, которые привели к образованию дефектного слоя с изменённой структурой. Замечено, что глубина дефектного слоя с ростом икр возрастает. С увеличением скорости круга до 100 м/с изменяется форма кривой. При этом в поверхностном слое 4 - 6 мкм возникают напряжения сжатия, что объясняется наличием прижогов с образованием вторичного слоя, имеющего структуру мелкодисперсного мартенсита с повышенным содержанием аустенита. Максимальное значение растягивающих остаточных напряжений несколько уменьшилось, но глубина залегания и дефектный слой увеличились за счет образования слоя вторичной закалки, лежащего на вторично отпущенном слое. Увеличение максимальных остаточных напряжений и глубины залегания при икр > 60 м/с объясняется возрастанием температуры и структурными превращениями, происходящими в поверхностном слое шлифуемого образца.
Рис. 7. Зависимость остаточных напряжений в поверхностном слое шлифуемой детали от скорости круга
Рис. 8. Зависимость максимальных напряжений а, глубины их залегания к и дефектного слоя Н от скорости круга икр
Наши исследования показали, что увеличение скорости детали оказывает противоположное влияние, чем увеличение скорости круга, на характер изменения остаточных напряжений (рис. 9). С ростом наблюдается снижение максимальных значений остаточных напряжений а, глубины их залегания Ь и дефектного слоя Н. Наиболее интенсивно а, Ь, Н снижаются при = 1 ^ 4 м/мин. Это объясняется тем, что с увеличением скорости сокращается время воздействия теплового источника, температура в зоне шлифования снижается, температурное поле концентрируется в тонком поверхностном слое заготовки. Последующее увеличение скорости детали до 5 м/мин практически не изменяет значений указанных параметров.
Из анализа зависимостей, представленных на рис. 7 - 9, можно заключить, что растягивающие напряжения зависят во многом от соотношения скоростей круга и детали. Характер изменения напряжений а и температуры Т идентичен, прослеживается уменьшение их значений по мере снижения соотношения икр/ид температуры. Последующее уменьшение икр/ид до 1 ^ 3 практически не изменяет а и Т, вызывало увеличение шероховатости и волнистости обработанной поверхности (рис. 10).
ст.ГПа 12
0А~ О
-0А
а ч /7 ч
\ > к ^_
н
Н Н
мкм 65
50
35
20
12 3 4 5 14 м/с
Рис. 9. Зависимость максимальных напряжений а, глубины их залегания к и дефектного слоя Н от скорости ид при икр = 80 м/с
Рис. 10. Зависимость о от контактной температуры Т от соотношения икр/ид
Исследование тонкой кристаллической структуры поверхностного слоя заготовки показало, что при соотношении скоростей круга и заготовки икр/ид = 6 размеры блоков Dб, плотность дислокаций р и микроискажения имеют значения, близкие к параметрам основной структуры металла.
На формирование остаточных напряжений существенное влияние оказывает способ и интенсивность подачи охлаждающей жидкости в зону резания (рис. 11). Увеличение рс приводит к образованию полезных, с точки зрения эксплуатационных характеристик детали, сжимающих напряжений. Установлено, что давление, при котором напряжение изменяет свой знак, зависит от скорости круга и связанным с ней через соотношение икр/ид увеличением скорости детали. Так, повышение давления до 0,2 МПа при икр = 80 м/с приводило к образованию незначительных сжимающих напряжений (рис. 11, кривая 4). При шлифовании икр = 25 м/с с аналогичными параметрами охлаждения в поверхностном слое формировались напряжения растяжения, и последующее увеличение рс до 0,6 МПа позволило получить сжимающие напряжения (кривая 3 рис. 11). Величина их не значительна, формируются они в тонком поверхностном слое (а = - 0,35 ГПа, И = 18 мкм).
Увеличение давления рс до 0,5 МПа при
20 30 М 50
60 Л мкм
-0,2
-0А
-0,6
/ 4 4
1/ ^2
VI
а,ГПа
1 - окр = 80 м/с, рс = 0,5 МПа;
2 - икр = 100 м/с, рс = 0,6 МПа;
3 - икр = 25 м/с, рс = 0,6 МПа;
4 - икр = 80 м/с, рс = 0,2 МПа
Рис. 11. Зависимость с при различных скоростях круга от давления охлаждающей жидкости рс
скорости круга икр = 80 м/с (кривая 1 рис. 11) приводит к повышению максимума напряжений до а = -0,7 ГПа и глубины залегания до 65 мкм. В то же время микротвердость поверхностного слоя на глубине поверхностного слоя на глубине до 10 ^ 20 мкм увеличивается, степень упрочнения образца при этом достигается 25 ^ 35 %. Наши исследования показали, что получение сжимающих напряжений возможно лишь при подаче охлаждающей жидкости сплошной струей непосредственно в зону контакта детали и шлифовального круга. В экспериментах это осуществлялось по нормали к торцовой поверхности круга, который был приподнят одним торцом на 2°. Смещение струи жидкости приводит к резкому уменьшению максимальных значений сжимающих напряжений и появлению растягивающих напряжений. Появление сжимающих напряжений обусловлено термопластическими деформациями, возникающими при высоких скоростях охлаждения участков поверхности заготовки после выхода их из зоны резания.
Таким образом, при высокоскоростном шлифовании стали 40ХН2МА возможно путем подбора оптимального соотношения скоростей круга и детали добиться при заданной производительности операции минимальных значений остаточных напряжений. С ростом скорости шлифовального круга уровень и глубина залегания сжимающих напряжений возрастают. Увеличение давления охлаждающей жидкости до 0,5 ^ 0,6 МПа позволяют получить в поверхностном слое сжимающие остаточные напряжения.
С целью более полного и глубокого изучения изменений структурного состояния поверхностного слоя и установления основных закономерностей этих изменений при шлифовании плоских поверхностей из закаленной легированной стали нами применялись одновременно следующее методы исследования: металлографические исследования, измерения микротвердости по глубине поверхностного слоя, рентгеноструктурный анализ.
В качестве образцов использовались детали их стали 40ХН2МА, 4Х5МФС закаленные с низким отпуском. Каждая группа образцов изготовлялась из материала одной плавки, все детали этой группы проходили одинаковую термическую обработку, имели одинаковую исходную твердость и структуру. Результаты исследований влияния условий процесса торцового шлифования плоских деталей из труднообрабатываемых материалов на состояние их поверхностного слоя позволяют утверждать, что торцовое шлифование различными
и режимах, с как вызывать,
охлаждением любыми смазочно-так и не вызывать структурные
инструментами, на разных станках охлаждающими жидкостями может превращения.
На рис. 12 представлен график изменения микротвердости в зависимости от толщины снимаемого слоя при торцовом шлифовании инструментом с прерывистой рабочей поверхностью. График условно разделен по тепловому режиму в зависимости от различной толщины снимаемого слоя ¿ф. При минимальной температуре (I), особенно в начале шлифования, происходит уменьшение микротвердости поверхности. Шлифование на более напряженных режимах (II) с увеличением толщины снимаемого слоя, приводит к росту микротвердости. Дальнейшее увеличение толщины снимаемого слоя (III), снижает скорость охлаждения поверхностного слоя, поэтому микротвердость увеличивается.
/
Н Нмм'
0.05
0.25
( ф мкм
Рис. 12. Изменение микротвердости в зависимости от толщины снимаемого слоя при шлифовании инструментом с прерывистой рабочей поверхностью
Рис. 13. Характер изменения микротвердости и количества остаточного аустенита по глубине поверхностного слоя при вторичной закалке наружного слоя после шлифования
Характер распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя приведен на рис. 13. Теплота, выделявшаяся при шлифовании, концентрировалась в тонком верхнем слое металла. Быстрый отвод тепла в глубь изделия, а также охлаждающее действие СОЖ обусловили образование здесь зоны вторичной закалки, имеющей микротвердость 9,5 - 10 кПа/мм2. Нагрев нижележащего слоя и более медленное его охлаждение вызвали образовании зоны вторичного отпуска с микротвердостью порядка 7,5 кПа/мм2, в более глубоких слоях изменение микротвердости и микроструктуры не обнаружено.
Металлографические исследования позволили установить, что слой вторичной закалки представляет собой аустенито-мартенсит, отпущенный слой имеет структуру троостомартенсита, переходящего постепенно в структуру основного металла. Рентгенографические исследования распределения количества остаточного аустенита по глубине поверхностного слоя показали повышенное содержание его в слое вторичной закалки (31 %) по сравнению с основным металлом (рис. 15). Это обстоятельство дает основание предположить, что нагрев тонкого верхнего слоя при шлифовании произошел до температур, превышающий температуру закалки, обычно применяющуюся для стали 4Х5МФС, что соответствует данным, полученным другими авторами [3, 4].
Скорости нагрева при шлифовании значительно превышают величины скоростей круга, что должно привести к соответствующему повышению температуры распада аустенита. Этим, на наш взгляд, и объясняется тот факт, что хотя на глубине более 5 - 7 мкм и произошел отпуск, однако его температура, при столь высоких скоростях нагрева, оказалась недостаточной для распада остаточного аустенита.
Результаты измерения микротвердости и металлографические исследования подтверждаются и дополняются электронно-микроскопическими фотографиями поверхностного слоя, которые позволяют видеть, что образовавшийся после закалки белый слой имеет резкую границу с зоной отпуска (рис. 15), характеризующейся укрупнением карбидов.
Экспериментально установлено, что при действии высокоскоростного теплового источника на закаленную сталь возможно получение двух видов структурного состояния
поверхностного слоя. В первом случае наружный слой представляет собой аустенито-мартенсит вторичной закалки (белый нетравящийся слой), под которым располагается зона вторично отпущенного металла со структурой троостомартенсита и троостита. В другом случае - при снижении интенсивности и напряженности теплового процесса - на поверхности может образовываться вторично отпущенный слой, переходящий через все стадии отпуска в основную структуру мартенсита закалки. Дальнейшее снижение напряженности теплового процесса приводит к отсутствию каких-либо структурных превращений.
Уменьшение глубины резания с одновременным уменьшением скорости детали при шлифовании плоских поверхностей обуславливает изменение характера структурных превращений. Некоторое снижение глубины резания приводит к уменьшению максимальной температуры в зоне резания, однако уменьшение скорости детали вызывает увеличение времени контакта ее с кругом, то есть времени действия теплового источника. В результате на поверхности образуется зона отпуска со структурой троостомартенсита, которая характеризуется пониженной микротвердостью (рис. 16). Однако в отпущенном слое произошло повышение качества остаточного аустенита. Это явление объясняется особенностями температурно-скоростного цикла при шлифовании.
Л % 25 20 15
10 5
О 10 20 30 W h, мкм Рис. 15. Микроструктура поверхностно Рис. 16. Характер изменения микротвердости и количества слоя после шлифования остаточного аустенита по глубине поверхностного слоя
при вторичном отпуске наружного слоя после шлифования
В.Д. Садовский, И.Н. Кидин, A.A. Попов [4] показали возможность обратимости мартенситного превращения в стали при условии подавления процесса распада мартенсита с весьма большими скоростями нагрева. Развивающиеся при шлифовании высокие скорости нагрева обуславливают смещение температуры обратного март енситного превращения ниже точки А]. Следует, однако, иметь в виду, что распад мартенсита при этом не обязательно подавляется полностью. В результате весьма быстрого последующего охлаждения аустенит переходит в мартенсит также не полностью и поэтому, чем выше будет скорость охлаждения, тем большее количество остаточного аустенита сохранится в структуре поверхностного слоя. В тоже время, частично распавшийся мартенсит фиксируется в виде троостита, что и обуславливает некоторое снижение твердости. Рентгеновские исследования изменения количества остаточного аустенита в поверхностном слое показали, что высокие скорости нагрева и охлаждения, характерные для шлифования, существенно снижают температуру обратного мартенситного превращения. Так, увеличение количества остаточного аустенита отмечается даже при температуре около 650°. Глубина слоя с повышенным содержанием остаточного аустенита увеличивается с увеличением глубины резания (рис. 17). Охлаждение оказывает значительное
4
,-
\ /
. Л
О 10 20 30 W 50 60 70 h, мкм 1 -1 = 0,05 мм; 2 -1 = 0,1 мм; 3 - t = 0,2 мм; 4 - t = 0,3 мм
Рис. 17. Зависимость изменения количества остаточного аустенита по глубине поверхностного слоя от глубины шлифования
влияние, как на глубину, так и на характер структурных превращений. Применения охлаждения существенно изменяет температурно-скоростной режим теплового процесса в поверхностном слое, вызывая повышение скоростей термических процессов и некоторое снижение максимальной температуры на поверхности и на глубине. Использование теоретических зависимостей параметров теплового процесса от условий шлифования совместно с экспериментальными исследованиями состояний поверхностного слоя позволяют установить основные закономерности и особенности структурных превращений при шлифовании закаленной стали.
Проведенные исследования по формированию поверхностного слоя деталей из труднообрабатываемых материалов при шлифовании с подачей СОЖ в зону резания позволили:
- выявить закономерности формирования температурных остаточных напряжений. В процессе шлифования (периода нагрева) создаются температурные напряжения сжатия, превосходящие предел текучести материала, в обрабатываемом материале образуется остаточная пластическая деформация сжатия. После снятия нагрева, размеры детали возвращаются к прежним, но наличие остаточной деформации сжатия вызывает появление остаточных напряжений растяжения. В процессе шлифования детали при действии смазочно-охлаждающей жидкости (периода охлаждения) остаточные напряжения достигают предела текучести, и дальнейший рост остаточных напряжений становится небольшим.
- дать рекомендации при шлифовании труднообрабатываемых легированных конструкционных сталей с учетом особенностей различных технологических ситуаций, характерных для конкретного шлифовального инструмента, марки инструментального материала, условий шлифования и режимов резания.
- получить закономерности влияния основных параметров теплового процесса на глубину и характер структурных превращений в поверхностном слое, которые являются важным инструментом для изучения механизма формирования свойств поверхностных слоев при абразивной обработке, дальнейшего совершенствования технологических методов снижения теплонапряженности при плоском шлифовании, обоснования оптимальных режимов обработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванова Т.Н., Галиханов Д.Д. Исследование обрабатываемости труднообрабатываемых сталей при шлифовании // Естественные и технические науки. 2012. № 3(59). С. 173-176.
2. Геращенко О.Д., Гордов Д.Н., Еремина А.К. и др. Температурные измерения : справочник. Киев : Наукова думка,1989. 704 с.
3. Технологические остаточные напряжения / под ред. Д.В. Подзея. М. : Машиностроение, 1973. 216 с.
4. Полянчиков Ю.Н., Воронцова А.Н., Чернышев Н.А. и др. Анализ и оптимизация операции шлифования. М. : Машиностроение, 2003. 270 с.
FORMING OF PROPERTIES OF SUPERFICIAL LAYER DETAILS FROM HARD-PROCESSING MATERIALS AT THE SAME TIME AT HEATING AND COOLING
Ivanova T.N., *Dementyev V.B.
Tchaikovsky Branch of Perm National Research Polytechnic University, Tchaikovsky, Perm, Russia "Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. In a surface layer, depending on heat generation intensity, stresses may appear influencing structural transformation and part stress. Developed graphical and analytical, experimental method of residual stress defying allows to operate churlish parts and thin plates thermal deformation and regulate residual stresses distribution in parts surface layer.
KEYWORDS: residual stress, grinding, thermal deformation, depth and character of structural transformations, microhardness.
Иванова Татьяна Николаевна, кандидат технических наук, доцент Чайковского филиала ПНИПУ, e-mail: rsg078829@mail.ru
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, заместитель директора ИМ УрО РАН
