CC BY
5
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.74.011: 621.78.015
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-172-177
МОНИТОРИНГ ВЛИЯНИЯ ВИБРОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛОВ И СТАЛЕЙ С ОЦЕНКОЙ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
В.Н. Гадалов, И.А. Коваленко, С.Н. Кутепов, Ю.В. Скрипкина, А.А. Калинин
В статье представлены результаты исследования интенсивности и глубины упрочнения, возникающего при виброобработке методом замера микротвердости. Показано, что улучшение качества поверхностного слоя приводит к повышению износостойкости, сопротивления усталости металла и, следовательно, к повышению надежности и долговечности деталей машин.
Ключевые слова: виброобработка, упрочнение, стали 45 и ШХ15, медь, микротвердость, сопротивление усталости, поверхностный слой.
В современном машиностроении для повышения работоспособности и надежности разнообразных деталей машин в производстве широко применяются технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) [1-23, 30, 36, 38] и, в частности вибрационная обработка [1-4, 6, 7, 9, 12, 16-19, 30].
Известно, что на качество микрогеометрии и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей в значительной степени влияют операции их окончательной обработки. В связи с этим исследование и разработка процессов, способствующих созданию оптимальных свойств в поверхностных слоях, являются актуальными.
К числу таких процессов относится и вибрационная обработка деталей в различных средах, обеспечивающая изменение шероховатости и физико-механических свойств поверхностных слоев. Широкие технологические возможности этого метода в сочетании с высокой производительностью на очистных шлифовально-полировальных операциях ставят его в число наиболее актуальных и перспективных методов обработки и упрочнения деталей машин.
В процессе вибрационной обработки частицы рабочей среды вступают в динамический контакт с обрабатываемой деталью и наносят множество ударов по ее поверхности. В результате этих ударов происходит процесс микрорезания, если частицы рабочей среды имеют острые кромки (например, металлическая стружка или бой абразивных кругов), или пластическое деформирование, если частицы рабочей среды гладкие (например, стальные закаленные шарики или ролики).
Пластическое деформирование поверхностного слоя приводит к повышению исходной твердости, образованию остаточных напряжений сжатия и уменьшению шероховатости поверхности. Улучшение качества поверхностного слоя повышает износостойкость, сопротивление усталости металла и, следовательно, надежность и долговечность деталей машин [5, 6, 11, 18-20, 23].
В работе методом замера микротвердости исследовали влияние интенсивности и глубины упрочнения, возникающего при виброобработке. Опыты проводили на образцах из меди и стали ШХ15, которые подвергали обработке при частоте 1900 колебаний в минуту и амплитуде 4 мм, а также постоянном объеме загрузки вибробарабана стальными закаленными шариками.
Интенсивность и глубину упрочнения исследовали в зависимости от времени виброобработки, крупности частиц рабочей среды и типа абразива. Длительность обработки изменяли от 15 до 120 мин. В качестве основной рабочей среды использовали стальные закаленные шарики диаметром (5...30) мм. Виброобработку осуществляли при непрерывной промывке содержимого бункера проточной водой. В качестве других абразивных сред применяли смесь быстрорежущей стружки (замасленной) с чугунным песком и электрокорундовым зерном, а также бой абразивных кругов с грануляцией рабочих частиц (25.30) мм.
Для оценки интенсивности деформаций и предела текучести строили тарировочные графики в координатах: предел текучести-микротвердость-интенсивность деформаций. Образцы для тарировки и испытания изготовляли из одного и того же прутка в отожженном состоянии. Предварительные испытания показали, что микротвердость поверхностного слоя образцов, обработанных в перечисленных выше средах, значительно отличалась от исходного состояния при обработке их в стальных закаленных шариках и незначительно - при обработке в смеси быстрорежущей стружки с чугунным песком и электрокорундовым зерном и в бое абразивных кругов, поэтому величину и интенсивность деформированного слоя исследовали только на образцах, обработанных в стальных закаленных шариках.
Образцы для испытания подвергали виброобработке, затем разрезали в меридиональном сечении, полировали и на эту поверхность накатывали делительную сечку с базой 1 мм. В узлах сечки измеряли твердость на приборе Виккерса для образцов из цветного металла под нагрузкой 98,1 Н (10 кгс) и для стали ШХ15 - под нагрузкой 294,2 Н (30 кгс). Среднестатистическое этих замеров принимали за твердость в данной точке.
Остаточные деформации и интенсивность напряжений определяли по распределению твердости в меридиональном сечении. По результатам испытаний были построены графики распределения интенсивности деформации и величины наклона в зависимости от времени виброобработки и крупности частиц рабочей среды, а также графики распределения изолиний твердости по всей поверхности образца в меридиональном сечении, что дало возможность наглядно представить распределение, глубину и интенсивность деформации по всему объему образца.
Установлено уменьшение интенсивности деформации на (30...40) % в поверхностном слое после виброобработки.
Для выявления, в какой мере возникает увеличение предела выносливости в результате виброобработки, были проведены сравнительные усталостные испытания образцов на установке типа УКИ-6000-2 [15]. Образцы из улучшенной стали 45 подвергали испытанию на сопротивление усталости до и после виброобработки в следующих рабочих средах:
- бой абразивных кругов;
- быстрорежущая стружка в смеси с чугунным песком и шлифзерном;
- стальные закаленные шарики диаметром 15 мм.
Обработку в этих средах проводили в течение 2 ч при частоте 1900 колебаний в минуту, амплитуде - 4 мм и загрузке вибробарабана на 2/3 объема.
По окончании испытаний построили графики в координатах напряжение-логарифм числа циклов нагружения в зоне ограниченного предела усталости. Каждую кривую строили по пяти точкам, а каждая точка - это результат среднеарифметического значения как минимум четырех-пяти образцов.
Р, Н (кгс) 392,3 (40)-
343,2 (35)-
294,2 (30)
245,2 (25)-
196,1 (20)-
147,1 (15)-
98,1 (10)-
Изменение сопротивления усталости образцов из стали 45 до и после виброобработки в различных абразивных средах: 1 - в закаленных шариках; 2 - сталь 45 закаленная; 3 - в металлической стружке; 4 - исходная сталь 45; 5 - в бое абразивных кругов
Как видно на рисунке, из всей серии испытанных образцов наибольшее число циклов N при одних и тех же нагрузках Р выдерживают образцы, обработанные в среде из закаленных шариков. Остальные образцы, как правило, выдерживают значительно меньшее число циклов напряжения. Наименьшим сопротивлением усталости обладают образцы, обработанные в рабочей среде, состоящей из боя абразивных кругов. Это связано с тем, что острые кромки гранул абразива при соударении с образцом оставляют на его поверхности риски и царапины, которые, являясь концентраторами напряжений, снижают поверхностное сопротивление усталости металла.
При виброобработке образцов из стали ШХ15 и меди в отожженном состоянии в рабочей среде из стальных закаленных шариков в течение 2 ч предел текучести при глубине деформированного слоя возрастает по торцу и по цилиндрической части: у стали ШХ15 на 25.33 %, а у меди - до 88 %. Глубина пластически деформированной области и предел текучести в значительной степени зависят от размеров частиц рабочей среды при виброобработке.
1569,1 (160) 1372,9 (140)
1176,8 (120)
980,7 (100)
784,5 (80)
588,4 (60)
392,3 (40)
о , Н/мм2 (кгс/мм2)
VII)'
0,13 0
0,4 0,6 0,8 1,0 2,0
При данных условиях испытания наибольший наклеп на поверхности и по глубине деформированного слоя может быть получен при обработке образцов из меди и стали ШХ15 в рабочих средах, состоящих из стальных закаленных шариков диаметром 30 мм. Если необходимо получить только поверхностный наклеп, то можно обрабатывать детали в рабочих средах с частицами средних размеров, например, в стальных шариках диаметром 15 мм. Предел текучести и интенсивность деформации зависят от времени обработки. Так, например, на образцах из меди предел текучести возрастает уже после 15 мин обработки, а при длительной обработке в течение 120 мин образец деформируется на всю глубину.
Выводы:
1. Установлено, что при виброобработке в рабочих средах, состоящих из стальных закаленных шариков, можно ожидать существенное упрочнение поверхностного слоя, причем, как показали опыты, деформации проникают на относительно большую глубину и могут привести к искажению формы, особенно деталей из пластичных материалов.
2. Показано, что после виброобработки в различных абразивных средах в результате упрочнения поверхностного слоя образцов возникает предел выносливости деталей. Таким образом, можно увеличить сопротивление усталости образцов из улучшенной стали 45 на 100 % и более по сравнению с исходным состоянием, если обрабатывать их в среде, состоящей из стальных закаленных шариков.
3. Выявлено, что сопротивление усталости деталей существенным образом зависит от типа рабочей среды. Наибольшее повышение сопротивления усталости наблюдается при обработке деталей в рабочей среде, состоящей из стальных закаленных шариков. Обработка образцов в бое абразивных кругов может привести к значительному снижению прочности при переменных нагрузках из-за наличия концентраторов напряжений на поверхности, что следует учитывать при разработке технологических режимов.
При написании статьи авторы руководствовались рекомендациями и нормативами национального стандарта РФ [39], ГОСТ Р ИСО 20816-2021, утверждённого приказом федерального агентства от 19.12.2021 г. № 1894-ст.
Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Гранты Президента РФ» № МК-3324.2015.8.
Список литературы
1. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей. М.: Машиностроение, 1974. 134 с.
2. Бабичев А.П. Исследование технологических основ процессов обработки деталей в среде колеблющихся тел с использованием низкочастотных вибраций: дис. ... д-ра техн. наук. Ростов-на-Дону, 1975. 462 с.
3. Ляликова Н.Т., Огородников В.А. Упрочнение поверхностного слоя металлов после виброобработки // Известия Томского политехнического института. 1976. Т. 224. С. 57-60.
4. Гончаревич И.Ф., Фролов К.Ф. Теория вибрационной техники и технологии. М.: Наука,1981.
320 с.
5. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка поверхностным пластическим деформированием: справ. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
6. Гудушаури Э.Г., Пановко Г.Я. Теория вибрационных технологических процессов при неку-лоновом трении // М.: Наука, 1988. 144 с.
7. Современные средства и методы вибрационной диагностики машин и конструкций / Ф.Я. Балицкий, М.Д. Генкин, М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Е.И. Хомяков. М.: МЦНТИ, 1990. 114 с.
8. Пшебыльский В.П. Технология поверхностно-пластической обработки. М.: Металлургия, 1991. 476 с.
9. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. М.: Наука, 1996. 276 с.
10. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
11. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин В.Г. Поверхностное пластическое деформирование // Иркутск: Изд-во ИГТУ, 2002. 304 с.
12. Розенберг Г.Ш., Мадорский Е.З. Вибродиагностика.; под ред. Г.Ш. Розенберг. СПб.: ПЭИПК, 2003. 284 с.
13. Киричек А.В., Соловьёв Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
14. Бутенко В.И. Локальная отделочно-упрочняющая обработка поверхностей деталей машин // Таганрог: ТРТУ, 2006. 126 с.
15. Гадалов В.Н. Петренко В.Р. Павлов И.В. Лабораторный практикум по материаловедению и металловедению сварки. Воронеж: ВГТУ. 2006. 331 с.
16. Бабичев А.П, Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии.; 2-е изд. перераб. и доп. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГГУ, 2008. 694 с.
17. Иванов В.В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий (цинкование). Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГГУ, 2010.
18. Влияние виброобработки на микротвердость и сопротивление усталости конструкционных сталей / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, Т.Н. Розина, Е.А. Маркелов, Б.Н. Квашнин // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 12. С. 36-38.
19. Копылов Ю.Р. Динамика процессов виброударного упрочнения монография. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2011. 569 с.
20. Ежелев А.Е., Бобровский И.Н., Пукянов А.А. Анализ способов обработки поверхностно-пластическим деформированием // Фундаментальные исследования. 2012. № 6-3. С. 642-646.
21. Осинцев O.E. Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: справочник.; 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2016. 360 с.
22. Блюменнштейн В.Ю. Механика технологического наследования, как научная основа проектирования сложнопрофильных инструментов для упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Наукоемкие технологии машиностроения. 2017. № 8. С. 7-16.
23. Зайцев С.А. Новые способы поверхностного пластического деформирования при изготовлении деталей машин // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2018. Т. 16. № 3. С. 129-139.
24. Структурные закономерности изменения акустических характеристик и разработка акустического критерия предельного состояния металлических сплавов / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, О.Н. Болдырева, И.А. Макарова, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 12. С. 361-368.
25. Материаловедение и металловедение сварки / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, А.В. Филонович. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 308 с.
26. Применение поляризационно-оптического метода для оценки напряжений в неоднородных моделях наплавленных комбинированных покрытий / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, О.М. Губанов, И.А. Макарова // Сварка и диагностика. 2021. № 2. С. 25-29.
27. Идентификация размеров дефектов при вихретоковом контроле / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева // Справочник. Инженерный журнал. 2021. № 11 (296). С. 16-19.
28. Обзор композиционных металлополимеров, упрочненных нано- и ультрадисперсными частицами / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, И.В. Ворначева, В.Р. Петренко, И.А. Макарова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 9 (201). С. 424-432.
29. Материаловедение: учебник для вузов. / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Д.Н. Романенко, Ю.В. Скрипкина. М.: АРГАМАК-МЕДИА, 2021. 272 с.
30. Шишкина А.П. Технологические особенности виброотделки сложнопрофильных деталей гранулированными средами из природных материалов: дис ... к.т.н. 05.02.08 / Шишкина Антонина Павловна. Ростов-на-Дону, 2021. 166 с.
31. Мониторинг кинетических закономерностей износа внутренних поверхностей оборудования в условиях интенсивной коррозии с применением разных рабочих сред / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, И.А. Макарова // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 6 (303). С. 48-53.
32. Оценка повреждаемости деталей насосов бурового оборудования в режиме их эксплуатации / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 10. С. 492-499.
33. Мониторинг особенностей формирования соединения тонкостенных конструкций из листовых титановых сплавов диффузионной сваркой / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 12. С. 639-643.
34. Изучение структурного состояния, свойств и качества многослойных панелей из титановых сплавов после лазерной обработки / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.В. Панов, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 12. С. 660-665.
35. Мониторинг получения качественного диффузионного соединения изделий из сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением промежуточной прослойки, изготовленной на элементах технологии шелкографии / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 12. С. 691695.
36. Изучение влияния комбинированной обработки на структуру и свойства электроискровых покрытий на низкоуглеродистой стали самофлюсующимся спецэлектродом / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, А.Е. Молдахметова, С.А. Войнаш, В.А. Соколова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 18. № 12 (216). С. 566-571.
37. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов и др. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
38. Исследования комбинированного упрочнения волновым деформационным воздействием и термообработкой стали 30ХГСА / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.А. Силантьев, А.В. Яшин, М.Е. Жидков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 18. № 11 (215). С. 524-528.
39. ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021 Вибрация. Измерения вибрации и оценка вибрациционного состояния машин. Часть 1. Национальный стандарт РФ. М.: Российский институт стандартизации, 2022. 35 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Коваленко Ирина Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, cubik368@mail. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент, kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Скрипкина Юлия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, Julia_skr@mail.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MONITORING THE IMPACT OF VIBRATION ON THE SURFACE LAYERS OF STRUCTURAL METALS AND STEELS WITH AN ASSESSMENT OF THEIR MECHANICAL AND OPERATIONAL PROPERTIES
V.N. Gadalov, I.A. Kovalenko, S.N. Kutepov, Yu.V. Skripkina, A.A. Kalinin
The article presents the results of a study of the intensity and depth of hardening that occurs during vibration treatment by measuring microhardness. It is shown that improving the quality of the surface layer leads to an increase in wear resistance, fatigue resistance of the metal and, consequently, to an increase in the reliability and durability of machine parts.
Key words: vibration treatment, hardening, steel 45 and ShKh15, copper, microhardness, fatigue resistance, surface layer.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kovalenko Irina Anatolyevna, candidate of technical science, docent, cubik368@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepovsn@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Skripkina Julia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, Julia_skr@mail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
