Исследование микрорельефа плоских поверхностей заготовок, упрочненных магнитно-динамическим накатыванием Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.787 С. А. Сухоцкий

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВОК, УПРОЧНЕННЫХ МАГНИТНО-ДИНАМИЧЕСКИМ

НАКАТЫВАНИЕМ

UDC 621.787 S. A. Sukhotsky

STUDY OF MICRORELIEF OF FLAT WORKPIECE SURFACES HARDENED BY MAGNETO-DYNAMIC ROLL FORMING

Аннотация

В статье приведены зависимости шероховатости упрочненных плоских поверхностей стальных заготовок от параметров процесса магнитно-динамического накатывания. Определены оптимальные режимы процесса упрочнения. Исследованы характеристики получаемого на поверхности заготовок микрорельефа, представляющего собой сетку пересекающихся микролунок. Установлено повышение удельной маслоемкости плоских поверхностей, упрочненных магнитно-динамическим накатыванием.

Ключевые слова:

шероховатость, микрорельеф, сетка микролунок, удельная маслоемкость, магнитная система, деформирующие шары, поверхностное пластическое деформирование.

Abstract

The paper shows the dependencies of roughness of hardened flat surfaces of steel workpieces upon the parameters of the magneto-dynamic roll forming process. Optimum modes of the process of hardening have been determined. The characteristics of the micro-relief, which is a mesh of mating micro-irregularities obtained on workpiece surfaces, have been studied. The increase of specific oil absorption power of flat surfaces hardened by magneto-dynamic roll forming has been discovered.

Key words:

roughness, microrelief, mesh of micro-irregularities, specific oil absorption power, magnetic system, deforming balls, surface plastic deformation.

Введение

Существенную роль на эксплуатационные свойства поверхностей деталей машин оказывают их качественные характеристики, в том числе микрорельеф поверхности. Для обеспечения высоких качественных характеристик поверхностей в технологических процессах изготовления деталей применяют методы поверхностного пластического деформирования.

К перспективным методам отде-

© Сухоцкий (С. А., 2016

лочно-упрочняющей обработки относится магнитно-динамическое накатывание плоских поверхностей, при котором упрочнение осуществляют деформирующими шарами, свободно установленными в кольцевой камере инструмента и введенными в контакт с поверхностью заготовки, перемещаемой с подачей. При этом деформирующим шарам сообщают энергию, необходимую для импульсно-ударного деформирования поверхности, от приводных шаров посредством воздействия на по-

следние вращающимся магнитным полем инструмента. Магнитно-динамическое накатывание обеспечивает совмещение процессов упрочнения и формирования на плоской поверхности детали микрорельефа с высокой маслоем-костью [1].

В связи с этим актуальной задачей является проведение исследований по выявлению технологических возможностей способа магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей деталей.

Исследование влияния режимов процесса магнитно-динамического накатывания плоских заготовок на шероховатость упрочненной поверхности

В соответствии с поставленной задачей были выявлены зависимости шероховатости плоских поверхностей заготовок от параметров процесса магнитно-динамического накатывания.

Отделочно-упрочняющую обработку заготовок из стали 45 различной твердости осуществляли по разработанному способу [1] на вертикально-фрезерном станке на следующих режимах: п = 500... 1300 мин-1 (V = 200.518 м/мин); £ = 20.500 мм/мин; И = 0,7 мм; количество рабочих ходов инструмента - 1.

Магнитно-динамическое накаты-

вание поверхности заготовок производили инструментом, содержащим корпус, кольцевые камеры, приводные и деформирующие шары, магнитную систему [2]. В состав магнитной системы входили кольцевой постоянный магнит осевой намагниченности из феррита стронция с размерами (D х d х h) 71 х 27 х 14 мм и магнитопроводные зубчатые диски из стали Ст 3 с пря-мобочным профилем зубьев. Величина магнитной индукции на периферии зубьев магнитопроводных дисков -0,23 Тл. В кольцевых камерах инструмента были установлены приводные и деформирующие шары из стали ШХ15 (62.65 HRC) диаметром 22 и 12 мм соответственно. Степень точности шаров -100 (ГОСТ 3722-81). Количество приводных и деформирующих шаров - 16 и 24 шт. соответственно.

Шероховатость упрочненных плоских поверхностей заготовок измеряли профилометром-профилографом фирмы «Митутойо» (Mitutoyo) модели Surftest SJ-210 (Япония). Погрешность измерения шероховатости при этом составляла не более 5 %. За величину шероховатости упрочненной поверхности заготовки принимали среднее значение пяти измерений шероховатости по параметру Ra.

Результаты исследований шероховатости упрочненной поверхности заготовок представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость шероховатости упрочненной поверхности заготовок от подачи инструмента:

1 - сталь 45 (200.220 НВ), ЯаИСх = 4,5.4,3 мкм; 2 - сталь 45 (41.44 ИЯС), ЯаИСх = 4,3.4,1 мкм

Рис. 2. Зависимость шероховатости упрочненной поверхности заготовок от частоты вращения инструмента: 1 - сталь 45 (200...220 НВ), йа„х = 4,5...4,3 мкм; 2 - сталь 45 (41...44 ИЯС), Да„х = 4,3...4,1 мкм

Анализ экспериментальных зависимостей (см. рис. 1 и 2) показывает, что магнитно-динамическое накатывание в диапазоне подач от 20 до 500 мм/мин обеспечивает снижение шероховатости поверхности заготовок из стали 45 твердостью 200.220 НВ и 41.44 ШС с Яа 4,5.4,1 мкм до 1,25.0,45 и 2,7.1,1 мкм соответственно. Снижение шероховатости поверхности заготовок имеет место при частоте вращения инструмента 400.1300 мин-1 (V = 160.518 м/мин). При частоте вра-

щения инструмента меньше 400 мин-1 приводные шары не могут оторваться от магнитной системы инструмента, что исключает их взаимодействие с деформирующими шарами и делает невозможным процесс упрочнения.

На рис. 3.5 показаны зависимости шероховатости упрочненных поверхностей заготовок от числа рабочих ходов инструмента, исходной шероховатости заготовок и натяга между приводными и деформирующими шарами.

1,6

1,2

1?а

0,8

0,4

^ Л

2х

ПГЕ.

Рис. 3. Зависимость шероховатости упрочненной поверхности от числа рабочих ходов инструмента: 1 - сталь 45 (200.220 НВ), ЯаИСх = 6,3.6,0 мкм; 2 - сталь 45 (200.220 НВ), ЯаИСх = 1,25.1,15 мкм; 3 - сталь 45 (41.44 НЯС), ЯаИСх = 2,5.2,3 мкм

2

мкм

г

I 1.2

Яа

0,8 0,4 0

1 2 3 4 5 б мкм 7

-—

Рис. 4. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от исходной шероховатости поверхности заготовок: 1 - сталь 45 (200.220 НВ); 2 - сталь 45 (41.44 НЯС)

7 г мкм]

6 ¥ I::

Яа

3 -

¥ 2 -

1Т 0 -

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ™ 0,7

Л——

Рис. 5. Зависимость шероховатости упрочненной поверхности от натяга между деформирующими и приводными шарами инструмента: 1 - сталь 45 (200.220 НВ) Яаисх = 6,3.6,0 мкм; 2 - сталь 45 (200.220 НВ) ЯаШх = 1,25.1,15 мкм; 3 - сталь 45 (41.44 НЯС) _КаИсх = 2,5.2,3 мкм

Установлено, что при магнитно-динамическом накатывании плоских поверхностей заготовок из стали наибольшее снижение шероховатости происходит за первый и второй рабочие ходы инструмента. Третий и последующий рабочие ходы инструмента не приводят к дальнейшему уменьшению шероховатости.

Анализ полученных зависимостей (см. рис. 4) показывает, что магнитно-динамическое накатывание позволяет

снизить шероховатость (по параметру Яа) плоских поверхностей заготовок из стали 45 твердостью 200.220 НВ в 5,5.6 раз, а твердостью 41.44 НЯС -в 4.4,5 раза. При величине натяга между деформирующим и приводными шарами применяемого инструмента до 0,3 мм (см. рис. 5) исходная шероховатость плоской поверхности почти не изменяется, т. к. энергии взаимодействия между деформирующими и приводными шарами недостаточно для смя-

тия микронеровностей заготовки. При натяге между деформирующими и приводными шарами инструмента в диапазоне 0,3.0,7 мм имеет место эффективное снижение исходной шероховатости поверхности заготовок.

Выполнена оптимизация параметров процесса магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей заготовок из стали 45 (200.220 НВ) с Яаисх = 4,5.4,3 мкм с целью максимального снижения их шероховатости.

Установлено, что основными факторами процесса упрочнения, оказывающими наибольшее влияние на шероховатость упрочненной поверхности, являются частота вращения п (скорость V), подача £ и диаметр деформирующих шаров ё инструмента. Зависимость шероховатости упрочненной поверхности заготовок Яа = / (п, £, ё) от основных факторов аппроксимировали полиномом второй степени и использовали центральный композиционный план, отвечающий

требованию ротатабельности.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получена зависимость шероховатости упрочненной плоской поверхности от основных параметров обработки:

Яа = 7,432 -1,384 • 10-2 • п - 5,986 • 10-4 х х £ - 6,748 • 10-2 • ё - 0,31 • 10-6 • п • £ + + 6,3 •ю-6 • п • а -37,7• 10-6 • а • £+ + 7,325 • 10-6 • п2 + 6,29 • 10-6 • £2 +

+ 2,08 • 10-3 • а2. (1)

Полученная модель (1) имеет погрешность в пределах 8.12 %, что позволяет считать ее в достаточной степени адекватной.

Графическое изображение математической модели, показывающее зависимость шероховатости Яа обработанных плоских поверхностей заготовок от двух соответствующих факторов, представлено на рис. 6.

Рис. 6. Влияние подачи £ и диаметра деформирующего шара ё (а), подачи £ и частоты вращения инструмента п (б), частоты вращения инструмента п и диаметра деформирующего шара ё (в) на шероховатость плоской поверхности, упрочненной магнитно-динамическим накатыванием

Полученные диаграммы позволяют определить значения режимов магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей и диаметр деформирующего шара инструмента, при которых обеспечивается заданная чертежом шероховатость поверхности заготовки по параметру Яа.

Анализ полученных результатов показывает, что оптимальными режимами магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей заготовок из стали 45 (200.220 НВ) являются частота вращения инструмента п = 940 мин-1 (V = 375 м/мин), подача инструмента £ = 120 мм/мин, при которых достига-

ется снижение исходной шероховатости поверхности с Яа 4,3.4,1 до Яа 0,41.0,36 мкм. Из графиков видно, что наибольшее снижение шероховатости упрочненной поверхности имеет место при диаметре деформирующих шаров инструмента, равном 15 мм.

Исследование характеристик сетки

микролунок на упрочненной поверхности заготовок

Экспериментально установлено, что магнитно-динамическое накатывание совместно с интенсивным снижением шероховатости обеспечивает формирование на плоской поверхности заготовки сетки пересекающихся микролунок, выполняющих в парах трения функцию удержания смазки и оказывающих существенную роль на износостойкость, прирабатываемость, сопротивление схватыванию и гидроплотность поверхностей [3]. В связи с этим определение и обеспечение рациональных параметров микрорельефа поверхности заготовки, а также управление его характеристиками являются важной технологической задачей.

Научный и практический интерес представляют исследования, связанные с определением влияния режимов процесса магнитно-динамического накатывания на параметры микрорельефа (сетки пересекающихся микролунок) упрочняемой поверхности.

Шаг Р и глубину h л микролунок на поверхности упрочненных заготовок измеряли методом профилографирования с использованием профилометра-про-филографа Surftest SJ-210. За экспериментальные значения параметров Р и hn принимали их средние величины на участке поверхности длиной 6,4 мм (рис. 7). Упрочняемые образцы из стали 45 (41.44 HRC) имели исходную шероховатость Ra = 1,2.1,3 мкм. После упрочнения образцов магнитно-динамическим накатыванием (n = 800 мин-1 (V = 320 м/мин ), S = 125 мм/мин, h = 0,7 мм) шероховатость поверхности снизилась и составила Ra 0,28.0,25 мкм.

Результаты экспериментальных исследований шага и глубины микролунок упрочненных поверхностей заготовок представлены на рис. 8 и 9 соответственно.

Рис. 7. Профилограмма поверхности плоской детали из стали 45 (41.44 ИЯС), упрочненной магнитно-динамическим накатыванием

50 100 150 200 250 300 350 400 мм/мин 500

Рис. 8. Зависимость шага микролунок, имеющихся на поверхности упрочненных заготовок, от подачи инструмента: 1 - сталь 45 (200.220 НВ); 2 - сталь 45 (41.44 HRC)

Кг

<

2

50 100 150 200 250 300 350 400 нн/шш 500

S -—

Рис. 9. Зависимость глубины микролунок на поверхности упрочненных заготовок от подачи инструмента: 1 - сталь 45 (200.220 НВ); 2 - сталь 45 (41.44 ИЯС)

Анализ экспериментальных зависимостей показывает, что шаг Р и глубина микролунок Ил возрастают с увеличением подачи инструмента, что связано с уменьшением числа ударов деформирующих шаров в единицу времени на элементарный участок упрочняемой поверхности. При этом глубина микролунок больше у заготовок из стали 45 твердостью 200.220 НВ (чем у заготовок с аналогичной стали твердостью 41.44 ИЯС ), т. к. они характери-

зуются более высокой пластичностью.

Определение удельной маслоемкости

Важной характеристикой, определяющей эксплуатационные свойства упрочненных поверхностей заготовок, является их удельная маслоемкость [4].

Расчет указанного параметра осуществляли на основе полученных профи-лограмм упрочненных поверхностей за-

готовок и построения соответствующих им кривых Аббота-Файерстоуна [5, 6].

Используя параметры формы профиля шероховатости анализируемой поверхности заготовки Rvk и Mr2, удельную маслоемкость поверхностей Q, мм3/см2, неупрочненных и упрочненных магнитно-динамическим накатыванием, рассчитывали по формуле [4]

Q = Rk-20

1 -

Mr

100

(2)

Кривые Аббота-Файерстоуна, соответствующие профилограммам обработанных поверхностей заготовок, показаны на рис. 10.

В табл. 1 представлены результаты расчета удельной маслоемкости плоских поверхностей заготовок из стали 45.

0 20 40 60 80 % 100 0 20 40 60 80 % 100

100 „ 100

0 20 40 60 80 % 100 о 20 40 60 80 % 100

Рис. 10. Кривые Аббота-Файерстоуна, соответствующие профилограммам обработанных плоских поверхностей заготовок: а - поверхность заготовки из стали 45 (200.220 НВ), полученная методом фрезерования (Ra 6,2.5,9 мкм); б - поверхность заготовки из стали 45 (200.220 НВ), полученная фрезерованием и последующим упрочнением магнитно-динамическим накатыванием (Ra 0,44.0,41 мкм); в - поверхность заготовки из стали 45 (41.44 НЯС), обработанная методом шлифования (Ra 0,63.0,61 мкм); г - поверхность заготовки из стали 45 (41.44 НЯС), полученная шлифованием и последующим магнитно-динамическим накатыванием

Табл. 1. Удельная маслоемкость плоских поверхностей анализируемых заготовок

Метод обработки поверхности Твердость образцов Ra, мкм Rvk, мкм ЫГ2, % Q, мм3/(см2-10—3)

Фрезерование 200-220 НВ 6,2-5,9 0,732 97,88 0,778

Фрезерование + МДН 0,44-0,41 0,743 86,40 5,052

Шлифование 41-44 НЯС 0,63-0,61 0,764 88,67 4,328

Шлифование + МДН 0,18-0,16 0,614 82,40 5,403

Сравнительный анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что магнитно-динамическое накатывание поверхностей заготовок из стали 45 (200.220 НВ), полученных методом фрезерования, обеспечивает повышение удельной маслоемкости поверхности в 6,5, а из стали 45 (41.44 ИЯС), полученных методом шлифования, - в 1,25 раза.

Заключение

Разработанный способ магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей обеспечивает следующие качественные характеристики:

- снижение шероховатости поверхности заготовок из стали 45 твердостью 200.220 НВ в 5,5.6, а твердо-

стью 41.44 НЯС - в 4.4,5 раза;

- получение на поверхности плоских стальных заготовок сетки микролунок с шагом Р = 0,5.1,4 мм и глубиной Ил = 0,7.3,0 мкм;

- повышение удельной маслоем-кости поверхностей заготовок из стали 45 в 1,25.6,5 раза.

Оптимальными параметрами процесса магнитно-динамического накатывания плоских поверхностей заготовок из стали 45 (200.220 НВ) (для достижения шероховатости поверхности Яа 0,41.0,36 мкм) являются частота вращения инструмента п = 940 мин-1 (V = 375 м/мин), подача £ = 120 мм/мин, диаметр деформирующих шаров инструмента с1 = 15 мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструмент и способ магнитно-динамического упрочнения плоской поверхности детали : пат. 17545 РБ, МПК В 24 В 39/02 / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий; заявитель Белорус.-Рос. ун-т. -№ а 20111278 ; заявл. 03.10.11 ; опубл. 30.10.13 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. -2013. - № 3. - 4 с.

2. Математическое моделирование магнитно-динамического инструмента для упрочняющей обработки плоских поверхностей / А. М. Довгалев, Н. А. Леванович, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 55-65.

3. Шнейдер, Ю. Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства / Ю. Г. Шнейдер. - Л. : Машиностроение, 1972. - 240 с.

4. Минаков, А. П. Исследование влияния пневмовибродинамической обработки на эксплуатационные свойства обработанной поверхности / А. П. Минаков, Е. В. Ильюшина // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2006. - № 1. - С. 172-176.

5. Абрамова, Н. Б. Исследование качества поверхности медных гильз кристаллизаторов МНЛЗ / Н. Б. Абрамова // Технология машиностроения. - 2007. - № 6. - С. 12-14.

6. Васильков, Д. В. Эффективность использования международных стандартов при контроле микрогеометрии поверхностей деталей / Д. В. Васильков, Д. Ю. Печенюк // Инструмент. - 2002. -№ 12. - С. 6-7.

Статья сдана в редакцию 22 июня 2016 года

Сергей Александрович Сухоцкий, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. E-mail: darvin_serg@mail.ru.

Sergey Aleksandrovich Sukhotsky, senior lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: darvin_serg@mail.ru.