CC BY
5УДК 62
Е.А. Гоголева
МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ УПРОЧНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКЕ
В статье рассматриваются основные параметры качества поверхностного слоя деталей машин. Статико-импульсная обработка представлена как новый способ ППД, позволяющий решить многие проблемы. Предоставлено обоснование расчетов и полученных результатов упрочнения с точки зрения процессов, протекающих в поверхностном слое при СИО.
Ключевые слова: Ст№в№атико-импульсная обработка, напряженное состояние, упругие и пластические деформации, поверхностный слой, упрочнение.
Одной из наиболее важных задач современного сельскохозяйственного машиностроения является технологическое обеспечение заданного ресурса техники, который зависит непосредственно от эксплуатационных свойств тяжело нагруженных деталей машин.
Известно, что работоспособность деталей машин определяется износостойкостью их поверхности, а также такими характеристиками как сопротивление усталости и контактной выносливости.
Поэтому, одной из важных задач машиностроения является создание поверхностного слоя, который имея высокие характеристики качества, обеспечивал бы необходимые эксплуатационные свойства деталей машин.
Для этого в настоящее время применяют различные способы поверхностного упрочнения нанесения покрытий, термообработку, поверхностное пластическое деформирование и др.
Среди основных параметров качества поверхностного слоя деталей машин необходимо исследовать также как твердость и микроструктуру. Известно, что повышение поверхностной твердости способствует повышению износостойкости, а упрочненный поверхностный слой до глубины 6.. .8 мм значительно повышает сопротивление усталости. В ходе проводимых исследований вызывает интерес поверхностный слой с чередующимися участками высокой и низкой твердости гетерогенной структурой. В условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники, детали которой испытывают абразивное изнашивание, выступающие единичные элементы повышенной твердости затрудняют контакт абразивных частиц с материалом основы и позволяют до 10.15 раз увеличивать износостойкость в сравнении с термообработкой.
Деформационное упрочнение для формирования структурно-неоднородных поверхностей является перспективным направлением из-за экономичности и несложности процесса обработки. При поверхностном пластическом деформировании наличие в неравномерно упрочненной структуре плавного перехода от участков с повышенной твердостью к участкам с низкой исходной твердостью исключает возможность зарождения дальнейшего разрушения.
Известные способы ППД (обкатывание, выглаживание, дробеструйная обработка) позволяет получить глубину упрочненного слоя 2.3 мм, чем сдерживается получение гетерогенной структуры, не позволяя обеспечить необходимый закон распределении легких и твердых участков поверхностного слоя.
Статико-импульсная обработка новый способ ППД, позволяющий решить эти проблемы. Там, через предварительно поджатый инструмент при СИО деформирующее ударное воздействие характеризуется не только энергией, но и формой импульса, которая регулируется геометрическими соотношениями элементов ударной системы. Предварительное статическое поджатие инструмента и упрочняемой поверхности необходимо для осуществления управляемого импульсного воздействия, за счет которого происходит основная упругопластическая деформация.
Изменением формы ударного импульса осуществляется тонкое регулирование движений инструмента в процессе упругопластической деформации обрабатываемого материала. Это позволяет управлять эпюрами остаточных напряжений и микротвердости по глубине упрочненного слоя. При этом можно регулировать равномерность упрочнения поверхностного слоя и чередование слоев с изменяющейся твердостью.
© Гоголева Е.А., 2017.
Для повешения эксплуатационных свойств деталей сельскохозяйственных машин и использования различной равномерности упрочненного поверхностного слоя необходимо определить механизм управления равномерностью в зависимости от параметров статико-импульсной обработки.
Для этого определим параметры СИО управляющие равномерностью упрочнения поверхностного слоя. Под действием ударных импульсов на поверхности формируются пластические отпечатки, форма и размеры которых в зависимости от кратности определяют глубину, их обобщенной характеристикой является коэффициент перекрытия отпечатков:
К = 1---— (1)
603* /
где 8 - подача;
f - частота ударов; 5 - размер отпечатка.
От формы и размеров отпечатка зависит глубина и степень упрочнения, равномерность упрочненного слоя определяет коэффициент перекрытия отпечатков.
Практическое значение имеет варьирование К в диапазоне 0 < К < 1. При К=0 край одного отпечатка граничит с краем другого. С увеличением коэффициента перекрытия возрастают степень, глубина и равномерность наклепанного слоя, и К =1 будет соответствовать частному случаю многократного вдавливания инструмента.
Равномерность поверхностного слоя может быть оценена через твердость его различных участков. Наиболее эффективно для этой цели использовать метод Викксерса.
Практический интерес представляет равномерность упрочнения поверхностного слоя по глубине и в направлении подачи. Оценка равномерности осуществлялась послойно. Предлагается оценивать степень равномерности упрочнения поверхностного слоя через коэффициент неравномерности X:
1 = (2) п
п
\ИУ1 - ИУ\ Т Ну 1 =-1-^ 100%; НУ = -,
1 НУср ' ^ п '
где п - число точек слоя, в которых измеряется твердость;
1 - порядковый номер точки слоя, в которой измеряется твердость (1=,.. .,п);
1 - отклонение твердости точек измеряемого слоя относительно среднего значения твердости;
Ну -твердость точки измеряемого слоя;
НУср - среднее значение твердости измеряемого слоя.
Коэффициент неравномерности X определяет среднее значение отклонения твердости от среднего значения твердости НУ для п-го числа измеренных точек на данном слое. С увеличением X равномерность снижается, и наоборот.
Таким образом, равномерность упрочнения поверхности после СИО можно определить через коэффициент X, а поставленная задача решается при исследовании влияния на коэффициент неравномерности X коэффициента перекрытия К. В данном случае задача решалась экспериментальным путем.
Исследования проводили на плоских образцах из стали 45, позволяющей проследить изменения равномерности упрочнения при варьировании коэффициента перекрытия.
В качестве инструментов использовали стержневые ролики диаметром 10 мм и шириной 15 мм. Энергия ударов составляла 150 Дж. При максимальном перекрытии К > 9 максимальная глубина упрочнения достигала 6 мм, а максимальная степень упрочнения - порядка 63%. Для других сталей и более высокой энергии ударных импульсов может быть получена большая глубина упрочненного поверхностного слоя, достигающая 10 мм и выше [6].
Полученные в результате эксперимента образцы разрезали в направлении подачи, изготовляли шлифы, измеряли твердость поверхностного слоя по Виккерсу по глубине поверхностного слоя и в направлении подачи.
В результате оценена равномерность упрочнения в зависимости от коэффициента перекрытия К (рис. 1).
При оценке раномерности по глубине поверхностного слоя установлено, что наибольшее значение коэффициента X = 9,8% достигается при К = 0 на глубине 0,9 мм, наименьшее Х=3% при К = 0,5 на глубине 1 мм. При этом необходимо отметить наличие двух характерных слоев (см. рис. 1). Первый - это
верхний поверхностный слой толщиной ^ , который является наиболее деформированным после СИО.
Он обладает наибольшей твердостью и равномерностью упрочнения.
Второй слой, в котором чередуются участки с высокой и низкой твердостью, обладает наихудшей равномерностью упрочнения. Твердость нижележащего слоя, полученная в результате наклепа, постепенно выравнивается, т.е. происходит плавный переход к твердости исходного металла и равномерность упрочнения повышается.
С повышением коэффициента перекрытия К толщина первого слоя увеличивается, а второго
уменьшается. Так, при К = 0 толщина первого слоя Ъх = 0, толщина второго слоя Н2 = 2 мм; при К = 0,25
Нх = 1,35 мм, Н2 = 1,5 мм; при К = 0,5 Нх = 2,8 мм, Н2 = 0,9 мм. Таким образом, равномерность упрочнения может быть достигнута уже при небольшом перекрытии отпечатков с коэффициентом К > 0,25.
Рис. 1. Изменение равномерности упрочнения поверхностного слоя по глубине 1 - К = 0; 2 - К = 0,25; 3 - К = 0,5
Рис. 2. Изменение равномерности упрочнения поверхностного слоя по направлению подачи
1 - К = 0; 2 - К = 0,25; 3 - К = 0,5
Выводы:
1.Одним из перспективных направлений повышения сопротивления усталости, износостойкости и контактной выносливости является создание упрочненного поверхностного слоя с гетерогенной структурой. Использование для этого способов ППД может быть достаточно эффективно, поскольку в наклепанном слое осуществляется плавный переход от участков с повышенной твердостью, что исключает возможность зарождения между ними микротрещин и дальнейшего разрушения.
2.Установлено, что одним из наиболее эффективных способов ППД, позволяющих достаточно точно регулировать различную степень равномерности упрочнения поверхностного слоя, является стати-ко-импульсная обработка.
3.Разработана методика определения равномерности поверхностного слоя после деформационного упрочнения.
4.Определены возможности регулирования равномерности упрочняемого поверхностного слоя с помощью параметров СИО.
5.Установлено, что с помощью СИО может быть создан упрочненный поверхностный слой глубиной до 10 мм и более с практически равномерной или гетерогенной структурой.
Библиографический список
1.Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
2.Смелянский В.М., Земсков В.А. Технологическое повышение износостойкости деталей методом электроэрозионного синтеза покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 1. 27-35
3.Иванов Г.П., Картонова Л.В., Худошин А.А. Повышение износостойкости деталей созданием регулярной гетерогенной макроструктуры // Строительные и дорожные машины. 1997. № 1. С. 33-34.
ГОГОЛЕВА ЕКАТЕРИНА АНДРЕЕВНА - магистрант машиностроительного факультета, Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, Россия.
