CC BY
14ТЕХНОЛГИЯ
шиш
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Cfa
(О/сКЗ) и «бесконечной» (О/0о>3) толщиной стенок (у последних считается невозможным при любом натяге дорнования вызвать пластическую деформацию на наружной поверхности) представляется не совсем обоснованной.
"г
I'd 0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
. 1
□ ,2 ♦
S □
8 10 12 14 16 18 Ц/с10
Рис.4. Зависимости отношения объема металла, вытесненного на торцы, к объему металла, вытесненному из отверстия, при одноцикловом дорновании с различными натягами от относительной высоть втулок с 0убо=4.6: 1 - а/б=0.045; 2 - а/0о=о, 15
Установлено, что при дорновании отверстий вытесняемый из них металл в основном смещается на наружную поверхность втулок. Часть этого металла вытекае- на торцы, на которых возникают наплывы. Причем объемы наплывов не зависят от высоты втулок (в исследованном диапазоне ее изменения). Объем наплыва на опорном
торце втулки оказывается в несколько раз больше, чем на входном. С уменьшением отношения Do/da, увеличением натяга a/do и относительной высоты зтулок L0/d0 доля металла, смещаемого на торцы, уменьшается. Сказанное подтверждают приведенные на рис. 4 зависимости отношения объема металла, вытесненного на торцы (VT), к объему металла, вытесненному из отверстия в процессе дорнования {VJ, от относительной высоты втулок с Do/do=4,6. Как следует из рис. 4, при натяге a/do=0,045 с увеличением i0/d0 с 4,6 до 18,5 доля металла, смещаемого на торцы, снижается примерно с 40 до 8%, а при натяге a/do=0,15 и таком же изменении L(/do эта доля падает примерно с 25 до 5%.
Эксперименты показали, что число циклов дорнования на деформации втулок влияет слабо.
В заключение укажем, что в условиях выполненных экспериментов обеспечивалась достаточно высокая точность втулок. Так овальность обработанных дорнованием отверстий не превышала 0,0015 мм, а их конусообраз-ность - 0,003 мм. Высота наплывов металла на торцах втулок была не более 0,2 мм.
Список литературы
1. Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра. -Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 92 с.
2. Розенберг A.M., Розенберг O.A. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. - Киев:Наукова думка, 1990. -320 с.
3. Розенберг O.A., Цеханов Ю.А., Шейкин С.Е. Технологическая механика деформирующего протягивания. - Воронеж: ВГТА, 2001.-203 с.
МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИСТВЧНИКВВ НАТРЕПА
В. В. ИВАНЦИВСКИЙ, доцент, канд. техн. наук, В.Ю. СКИБА, аспирант, Н.П. СТЕПАНОВА, аспирант,
НГТУ, г. Новосибирск
Разработка новых методик назначения режимов поверхностной закалки сталей в настоящее время вновь стала актуальной задачей. Это связано, прежде всего, с возникновением новых концентрированных источников энергии. При этом воспользоваться предыдущими наработками в этой области не представляется возможным, так как нагрев с использованием концентрированных источников характеризуется высокими скоростями нагрева (десятки и даже сотни тысяч °С/с), что существенным образом изменяет кинетику структурно-фазовых гре-вращений в сталях.
Для эффективного использования этих методов в промышленности необходимо иметь надежный механизм назначения технологических параметров, обеспечивающий требуемые характеристики качества упрочненного поверхностного слоя. Как было отмечено в работе [1], использование в качестве основных параметров назначения режимов поверхностной закалки: средней скорости и максимальной температуры нагрева достаточно приблизительно характеризуют температур-но-временные условия фазовых превращений при ау-стенитизации стали. Кроме перечисленных параметров
Мир ШШШШШШШШШпШ
ТЕХНОЛОГИЯ
необходимо учитывать и среднюю скорость охлаждения, и время нахождения материала в интервале температур фазовых превращений. Следовательно, режимы обработки следует назначать таким образом, чтобы обеспечить в поверхностных слоях материала необходимые термические циклы с заданными параметрами. При этом установить однозначную связь численных значений этих параметров с режимами обработки и характеристиками качества упрочненного слоя не представляется возможным. Однако очевидно, что значения параметров термических циклов определяются величиной передаваемой энергии и характером ее распределения в материале.
В связи с этим и на основании работ [2,3] предлагается использовать в качестве основного параметра назначения режимов поверхностной закалки стали интегральную температурно-временную характеристику 5, объединяющую в себе все основные параметры термических циклов [1,4]. Физический смысл этой характеристики становится понятным из зависимости
где О - энергия, Дж, Ит - термическое сопротивление материала, "С-с/Дж. Иными словами, эта характеристика косвенным образом определяет величину энергии, передаваемую в материал и затрачиваемую на структурно-фазовые превращения.
На основании вышеизложенного для разработки методики назначения режимов поверхностной закалки необходимо установить взаимосвязь численных значений интегральной температурно-временной характеристики с режимами обработки (размер источника, ссорость его перемещения относительно детали и удельная мощность нагрева), с одной стороны, и с глубиной упрочнения - с другой стороны.
Реализацию предлагаемой методики рассмотрим на примере поверхностной закалки сталей 45 и У8 с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ). Исследования проводились в диапазоне режимов обработки: удельная мощность источника 9и = (24...36) кВт/см2, скорость перемещения источника Уи = 50... 100 мм/с, размер источникаЯи = 2,4 мм. Из трех предлагаемых технологических параметров обработки, размер источника взят постоянным. Это объясняется прежде всего, тем, что изменение размера источника связано с трудоемким изготовлением нового индуктора. Поэтому в практике индукционного нагрева принято задавать изначально размер источника, а затем подбирать соответствующие два остальных технологических параметра.
Данный источник нагрева является объемным, большая часть энергии выделяется в пределах глубины проникновения тока в горячий металл (при частоте тока 440000 Гц для сталей 45 и У8 ~ 0,8 мм). При этом следует отметить, что поверхностный слой материала взаимодействует с охлаждающей средой (интенсивное душевое
охлаждение), а более глубокие слои охлаждаются за счет теплопроводности материала. Следовательно, распределение интегральной характеристики S по глубине материала даже в пределах глубины проникновения тока не является равномерным.
В случае закалки детали на большие глубины необходимо применять поверхностную схему обработки. В этом случае нагрев более глубоких слоев будет осуществляться за счет теплопроводности материала. При реализации данной схемы необходимо передать поверхностному слою большую энергию, в результате чего значение интегральной характеристики S в поверхностном слое возрастет и будет гораздо больше минимально необходимой [1], что в процессе охлаждения приведе' к возникновению в поверхностных слоях материала более крупнодисперсной структуры мартенсита. Данное явление свойственно всем поверхностным источникам нагрева (лазер, плазма и т.д.). В этом случае распределение характеристики S по глубине материала становится еще боле неравномерным.
При реализации поверхностной закалки с использованием ВЭН ТВЧ наибольшие значения характеристики S достигаются на глубине 0,2 мм. На основании результатов моделирования температурных полей и процесса аустенитизации стали при ВЭН ТВЧ, а также на оснозе экспериментальных исследований величины и характера распределения микротвердости были установлены следующие функциональные зависимости характеристики S, реализуемой на глубине 0,2 мм от глубины упрочнения детали h (мм):
для стали У8 S(h) = 4,18+33,56 ft3; (1)
для стали 45 S(h)= 1,01+47,53 /73.
С другой стороны, зависимость характеристики S от технологических режимов для данных материалов имеет вид (рис.1):
для стали У8:
^,^ = 24-1,6.10-^-1,7/^ + + 1,9-10 «.д* +0,01/1/;+ 8,3 10 * qJV„ ' (2)
для стали 45:
S(QM,ig = 28-1,8 107-q„- 2,5/Уи + + 1,4-10-16(?и2+0,02/\/и2+ 1,3-10~*qJV„
Обработка экспериментальных данных производилась с использованием программных продуктов STATISTIC А 6.0 и Table Curve 3D v 4.0. Максимальная погрешность не превышает 5 %.
В том случае, если деталь работает только в условиях износа, для назначения режимов обработки необходи-
18 ШШШЩ) 2006
шшшшяшш
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
мо определить значение характеристики 5, исходя из заданной на чертеже детали глубины упрочнения Ь по зависимости (1). Далее, исходя из технологических возможностей закалочной установки и источника энергии, подобрать значение удельной мощности нагрева при максимальной скорости движения источника по зависимости (2).
для стали У8: т(1/и,ри)=1-557,71^-114 Ю12/с?1;-5; (3) для стали 45: У(\/и,аи)=-(),5+1,8-1£5+9-107/ам. где (0,25^(УИ,<7И) < 0,33).
а б
Рис. 1. Поверхности функциональной зависимости S(qtf,\/J: а - для стали У8,6- для стали 45
Поскольку при проектировании многих изделий требуется обеспечить не только износостойкость, но и требуемый ресурс работы детали на контактно-уста-лостную нагрузку, то при выборе соответствующих режимов обработки необходимо учитывать величину и характер распределения остаточных напряжений по глубине закаленного слоя. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния материала в условиях высокоскоростного нагрева.
Учитывая тот факт, что очагом разрушения детали является место расположение максимальных растягивающих напряжений стртах, необходимо переместить опасную зону как можно глубже от поверхности изделия. Естественно, глубина залегания орпшх будет наибольшей в том случае, если величина переходного слоя окажется максимальной. Но. в этом случае наблюдается значительное снижение сжимающих напряжений астах на поверхности. Анализ результатов экспериментов показал, что величина переходного слоя должна составлять 25...30 % от глубины упрочненного слоя, что хорошо согласуется с данными, представленными в работе [2]. Именно при выполнении этого требования артах будут находиться на достаточном удалении от поверхности детали и при этом величина сжимающих напряжений на поверхности в среднем уменьшается на 4%. В этом случае вводится еще один критерий при выборе режимов поверхностной закалки - относительная величина переходной зоны \/и).
В результате обработки результатов исследований с использованием вышеперечисленных программных продуктов были получены следующие функциональные зависимости (рис. 2):
^ г» "И**
а б
Рис. 2. Поверхности функциональной зависимости Уи): а - для стали У8, б - для стали 45
Таким образом, для деталей, работающих в условия контактной выносливости, определение удельной мощности и скорости перемещения источника осуществляется посредством решения системы уравнений (2) и (3) с учетом зависимости (1).
Вывод. Предложена новая методика назначения рациональных режимов поверхностной закалки сталей при использовании концентрированных источников нагрева. Данная методика отличается от известных тем, что в качестве основного параметра назначения режимов используется характеристика интегрального температурно-временного воздействия нагрева на структуру стали и позволяет учитывать условия работы детали (износ, усталостная прочность).
Список литературы
1. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Степанова Н.П. Назначение режимов закалки с использованием концентрированных источников нагрева // Обработка меюллиы. - 2005. - № 3 (28).
- С.22 - 24.
2. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: Вопросы металловедения л технологии. - Л.: Машиностроение, 1990. - 239 с.
3. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. - М.: Машиностроение, 1972. -288 с.
4. Иванцивский В.В., Рахимянов Х.М. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при интеграции поверхностной термической V финишной механической обработки // Упрочняющие технслогии и покрытия.
- 2005. - №6. - С. 43 - 46.
5. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Упрочнение поверхностных слоев деталей машин с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты // Ползуновский вестник. - 2005. - №2. - С. 104 - 113.
