CC BY
25
УДК 621.789
10.18286/1816-4501 -2015-4-183-189
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ СЕГМЕНТНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ НА СДВИГОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРЕССОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ТИПА «ВТУЛКА-КОРПУС»
Морозов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология машиностроения»1
Федорова Лилия Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «МТ-8»2 Горев Николай Николаевич, аспирант кафедры «Материаловедение и технология машиностроения»1
ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА1
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; 8(8422)55-95-97, e-mail: [email protected]
ФГБОУ ВО «Московский ГТУ им. Н.Э. Баумана»2 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, cmp. 1
Ключевые слова: упрочнение, долговечность, качество, сегментная электромеханическая закалка, микротвердость, соединения с натягом, сдвигоустойчивость.
В работе отражены результаты исследования влияния режимов сегментной электромеханической закалки (ЭМЗ) на формирование участков регулярной микротвердости. Обоснованы геометрические параметры обрабатывающего инструмента. Экспериментально доказано повышение осевой сдвигоустойчивости в сравнении со стандартной технологией сборки.
Введение
Развитие сельского хозяйства во многом зависит от успехов в создании и реализации эффективных и ресурсосберегающих технологий, новых материалов и конструкций.
Большинство сельскохозяйственных предприятий имеют возрастной машиннотракторный парк. Для поддержания его в работоспособном состоянии ремонтные службы должны располагать эффективными способами не только восстановления размеров изношенных деталей, но и способными формировать рабочие поверхности деталей высокого качества.
В сельскохозяйственном машиностроении широко применяют соединения с натягом, сдвигоустойчивость которых непосредственно влияет на надежность машин в целом. В свою очередь на сдвигоустойчивость соединений с натягом влияют различные факторы, такие как: величина натяга, способ сборки, микрогеометрия поверхности контакта и другие.
Одним из способов повышения нагрузочной способности соединений с натягом является применение сегментной электромеха-
нической закалки (ЭМЗ) [1, 2, 3] поверхности отверстия, охватывающей детали (рис. 1).
Сущность данного способа заключается в создании с помощью ЭМЗ на поверхности отверстия охватывающей детали закаленных участков в виде сегментов. При поперечном методе сборки соединения с натягом в зоне контакта деталей происходит неравномерная деформация поверхностей вследствие неоднородной микротвердости. Это увеличивает площадь контакта и как следствие - повышает сдвигоустойчивость соединения [4, 5].
Рациональное чередование закаленных и незакаленных участков обеспечивает наилучшую сдвигоустойчивость прессового соединения.
Как было установлено ранее [1], твердость, глубина и ширина закаленных участков существенно влияют на сдвигоустойчивость соединения, полученного предложенным способом.
В свою очередь на указанные характеристики закаленных участков в большей степени оказывают влияние такие параметры, как геометрия обрабатывающего инстру-
а) расположение закаленных участков поверхности отверстия охватывающей детали; 6) разрез охватывающей детали по А-А; в) схема деформаций сопрягаемых поверхностей втулки и охватывающей детали в результате поперечной сборки: 1 - втулка; 2 - охватывающая деталь (корпус); 3 - фасонный упрочняющий инструмент; 4 - закаленные сегменты
Рис. 1 - Соединение «втулка - корпус» со сквозными закаленными участками на внутренней поверхности охватывающей детали
мента [6, 7, 8] и режимы обработки (сила тока /, скорость перемещения инструмента
V).
В связи с этим исследование влияния геометрии обрабатывающего инструмента, силы тока и скорости перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности на повышение твердость и оптимизацию размеров закаленных сегментов позволит существенно повысить сдвигоустойчивость прессовых соединений, что является актуальной задачей ремонтного производства.
Объекты и методы исследований
С целью выявления рациональных параметров геометрии упрочняющего инструмента и режимов обработки выполнены экспериментальные исследования, для которых были подготовлены образцы деталей из стали 45 и чугуна СЧ 20 с диаметром отверстия d = 30 мм.
Схема обработки сегментной ЭМЗ и компоновка экспериментальной установки представлены на рис. 2.
Для сегментной ЭМЗ отверстий образцов применяли инструменты, включающие 6 сегментов, отличающиеся друг от друга длиной линии контакта. Углы, образующие сегменты, были выбраны следующие: а1 = 209, а = 255, оц = 309, что соответствовало линиям контакта / = 5,2 мм, / = 6,5 мм,
13 = 7,8 мм.
На основании ранее проведенных исследований [1] были выбраны следующие режимы обработки: сила тока - 3500 А, 4000 А, 4500 А; скорость перемещения инструмента - 100 мм/мин., 150 мм/мин., 200 мм/мин.
Из полученных образцов были изготовлены микрошлифы для металлографических исследований, которые проводили на микроскопе МИМ-7, а замеры микротвердости - на приборе для измерения микротвердости ПМТ-3.
С целью определения эффективности данной технологии были проведены исследования модифицированных соединений с натягом на усилие распрессовывания.
Для сравнения со стандартной технологией были подготовлены образцы соединений из стали 45, собранные посредством тепловой сборкой с натягами 0,05 мм, 0,1 мм и 0,15 мм. На поверхностях охватывающих деталей были сформированы 6 закаленных сегментов, средняя глубина которых составляла 3,5 мм.
Исследования на определение усилия распрессовывания проводили на разрывной машине Р-10. Результаты измерений усилия получали с помощью тензодатчика MLA-2.5t, подключенного к источнику питания. Сигнал датчика через усилитель и ана-
Рис. 2 - Схема обработки сегментной ЭМЗ (а) и компоновка экспериментальной установки (б): 1 - установка с инструментом для сегментной ЭМЗ; 2 - обрабатываемая деталь; 3 - персональный компьютер; 4 - токоподводящие кабели; 5 - силовой модуль
логово-цифровой преобразователь обрабатывали с помощью компьютера, оснащенного программой ZET lab 27.01.
На рис. 3 представлена функциональная схема измерений усилия распрессовы-вания.
Оснастка представляла собой ступенчатый вал с направляющей и гнездом для датчика и осуществляла функцию посредника (передающего звена), участвующего в передаче и ориентации усилия.
Предварительно датчик веса тарировали на машине для испытания винтовых пружин МИП 100-2, с постепенным увеличением давления с шагом в 50 Н. В результате тарировки была получена линия тренда и функция зависимости, на основании которой была составлена программа для регистрации и отображения данных.
Результаты исследований
Измерения микротвердости по глубине зоны термического влияния показало, что в зоне упрочнения при всех режимах обработки происходит существенное увеличение микротвердости по сравнению с исходной структурой. При сегментной ЭМЗ на поверхности детали из стали 45 образуются две зоны, отличающиеся друг от друга степенью полноты фазовых превращений (рис. 4).
Первая зона представляет собой мартенситную структуру с фрагментами тро-остита. Микротвердость зоны составляет 6200... 7800 МПа. Вторая зона характерна
Рис. 3 - Функциональная схема измерения усилия распрессовывания: Д - тензометрический датчик веса; ИП - источник питания; У - усилитель сигнала; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПИ - персональный компьютер
для участков, нагретых ниже критических температур, где наблюдается повышенная неоднородность структуры. В ней, наряду с мартенситом, содержащим менее 1 % углерода, образуется троостоферритная сетка, которая на границе с исходной структурой переходит в ферритную. При этом микротвердость снижается до 2250 МПа (рис. 5).
При ЭМЗ чугуна, в свою очередь, происходят аналогичные фазовые превращения, что и при закалке стали. Однако ввиду большего электрического сопротивления
Сталь 45
1-4000 .4 V =200 мм мин
1-4000.4 V = 150мм мин
СЧ 20
1=3500.4 V = 150мм 'мин
1=4000.4
V
150ммлшн
1=4000.4 V =100 мм/мин
1=4500.4 V ~ 150мм мин
Рис. 4 - Форма закаленных участков, полученных при разных режимах обработки
Рис. 5 - Микроструктура упрочненного участка втулки (сталь 45) с замерами микротвердости в переходных зонах
нагрев поверхности чугуна происходит интенсивнее. За счет этого при одних и тех же режимах обработки чугун прокаливается на большую глубину. При этом упрочненный слой чугуна представляет собой мелкоигольчатый мартенсит, твердость которого достигает 8600...8900 МПа.
Таким образом, в результате проведенных исследований были получены гра-
фики, отражающие зависимость глубины упрочненных участков, полученных в результате сегментной электромеханической обработки, от геометрии инструмента и режимов обработки (рис. 6).
Анализ полученных зависимостей показал, что с увеличением силы тока / и снижением скорости перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверх-
Сталь 45
Чугун СЧ20
100 150
б
100 ISO
100 ISO
Рис. 6 - Зависимости глубины упрочненного сегмента h стали 45 и чугуна СЧ20 от скорости перемещения инструмента v (для сегментов с линиями контакта: а) I = 5,2 мм, 6) 12 = 6,5
мм, в) 13 = 7,8
ности v глубина упрочненных сегментов h, как у стального образца, так и у чугунного увеличивается. Сегменты с наибольшей глубиной закаленного слоя образуются при / = 4500 А и v = 100 мм/мин.
На основании данных зависимостей и учитывая площадь контакта инструмента с обрабатывающей деталью, можно привести полученные экспериментальные данные к более обобщенному виду, задавшись плотностью тока (рис. 7).
На основании проведенных исследований было установлено, что ширина за-
каленного участка превышает длину линии контакта / сегмента с поверхностью обрабатываемой детали на величину Л/. Это обусловлено рассеиванием теплового потока при ЭМЗ вследствие того, что ширина закаленного участка, как и глубина закаленного участка h, зависит от режимов обработки. Следовательно, на основании экспериментальных данных можно считать, что Л1 = (0,3... 0,35)h (рис. 8).
Задавшись необходимой глубиной h закаленного сегмента, по графикам определяют необходимую плотность тока j А/мм2 и
а
А, ^
ISO 170 190 210 230 2S0 2 70
« 100 мм/мим ■ ISO мм/мин » 200 мм/мим
б
Рис. 7 - Зависимость глубины закаленных участков h от плотности тока j и скорости обработки v отверстия образца: а - из
стали 45; б - из чугуна СЧ20
скорость обработки v, мм/мин. Ширина закаленного сегмента
b = pd/(2n),
где d - диаметр отверстия в детали, мм; п - количество упрочненных сегментов.
Длина линии контакта упрочняющего элемента
I =Ь-&1 ■
Далее можно определить силу тока /, А, которую необходимо подать на обрабатывающий инструмент:
/ = jnla ,
где а - ширина контакта упрочняющего элемента, мм.
Таким образом, на основании выполненных исследований, можно определить рациональные параметры геометрии рабочего инструмента и режимы сегментной ЭМЗ поверхностей отверстий охватывающей деталей.
В результате исследования образцов на осевую сдвигоустойчивость были получены зависимости усилия распрессовывания от натяга соединений, выполненных по стандартной технологии (без формирования участков регулярной микротвердости на поверхности охватывающей детали), и соединений, полученных с применением сегментной электромеханической закалки поверхности охватывающей детали. Результаты приведены на сравнительной диаграмме (рис. 9).
Повышение осевой сдвигоустойчивости по предлагаемой технологии объясняется увеличением площади соприкасающихся поверхностей вследствие неравномерной
м/
h
а
Рис. 8 - Геометрические параметры упрочненного сегмента и поверхности контакта инструмента: h - глубина закаленного участка; а - ширина контакта упрочняющего элемента; I - длина линии контакта сегмента с поверхностью обрабатываемой детали
— —стандартна я технологи я — - предлагаем а я технология
Рис. 9 - Сравнительная диаграмма усилия распрессо-вывания Р соединений в зависимости от натяга i
деформации поверхностей контакта при сборке.
Выводы
В результате исследований влияния режимов сегментной ЭМЗ на формирование участков регулярной микротвердости выявлено, что микротвердость закаленных участков для стали 45 составила 6200...7800 МПа, а для чугуна СЧ 20 - 8600...8900 МПа. Это позволяет увеличить осевую сдвигоустойчивость прессового соединения, выполненного по предлагаемой технологии, на 15...20 % по сравнению со стандартной технологией сборки соединений с натягом.
При проектировании обрабатывающего инструмента следует учитывать, что ширина закаленного участка больше длины линии контакта упрочняющего инструмента с обрабатывающей деталью на величину Л1 = (0,3...0,35)h, где h - глубина закаленного сегмента.
Библиографический список
1. Повышение качества неподвижных соединений типа «корпус-втулка» применением сегментной электромеханической закалки / А.В. Морозов, Н.И. Шамуков, Н.Н. Горев, А.Н. Рахимов // Международный научный журнал. 2013. - N° 4. - С 83-87.
2. Морозов, А.В. Повышение нагрузочной способности соединений с натягом типа «втулка - корпус» объемным электромеханическим дорнованием / А.В. Морозов, Г.Д. Федотов, А.Е. Абрамов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - N° 3. - С. 125-133.
3. Морозов, А.В. Разработка классификации процессов электромеханической обработки отверстий движущимся высокотемпературным полосовым источником / А.В. Морозов, Г.Д. Федотов //Упрочняющие технологии и покрытия. - 2015. - N° 3. - С. 44-50.
4. Пат. 2501636 Российская Федерация, В23Р11/02, В23Р25/00. Способ сборки деталей с натягом / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина».- Заявл. 26.09.2012;
опубл. 20.12.2013 г. Бюл. № 35.
5. Пат. 2508974 Российская Федерация, В23Р11/02, В23Р25/00. Способ сборки деталей с натягом / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина».- Заявл. 26.09.2012; опубл. 10.03.2014 г. Бюл. N° 7.
6. Пат. 123368 Российская Федерация, B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина».- Заявл. 11.07.2012; опубл. 27.12.2012 г. Бюл. № 36.
7. Пат. 123719 Российская Федерация, B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев, А.Н. Рахимов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина».- Заявл. 18.07.2012; опубл.10.01.2013 г. Бюл. N° 1.
8. Пат. 2501614 Российская Федерация, МПК В21В25/00, B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина».- Заявл. 11.07.2012; опубл. 20.12.2013 г. Бюл. N° 7.
