CC BY
62
Родимов Г.А., Лаптев В.А.
Самарский государственный технический университет
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЙ ПУТЕМ ФРИКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ СБОРКЕ
В настоящей работе рассматриваетсятехнология повышения контактной жесткости и прочности соединений при ультразвуковой сборке путем направленного регулирования параметров микрорельефа контактирующих поверхностей и физико-химического состояния поверхностного слоя. Предложенная технология сборки основана на явлении фрикционного упрочнения, когда при трении поверхностей происходит упрочнение поверхностного слоя, сопровождаемое структурными и физико-химическими изменениями металла [1].
Суть предложенной технологии состоит в том, что после образования соединения типа вал-втулка к валуприкладываются продольные ультразвуковые колебания, что вызывает относительные возвратнопоступательные смещения микронеровностей вала и втулки, которая в связи с наличием акустического контакта также получает колебания с ультразвуковой частотой, и начинается процесс трения между контактирующими микрорельефами (рисунок 1). Тем самым создаются условия для возникновения фрикционного упрочнения.
Возвратно-поступательное смещение поверхностей и динамическое нагружение за счет изменения диаметральных размеров вала при каждом периоде ультразвуковых колебаний вызывают упругие деформа -ции уже пластически деформированных вершин и впадин и пластическое деформирование ранее не деформированных.
По мере многократных смещений и повторных приложений нагрузки все большая часть микронеровностей будет деформироваться упруго и все меньшая их часть пластически, при этом фактическая площадь контакта деталей непрерывно увеличивается. Если связать это с процессом фрикционного упрочнения, то переход от пластического характера деформаций микронеровностей к упругому будет происходить в период приработки поверхностей. При этом амплитуда ультразвуковых колебаний должна быть назначена, исходя из следующих соображений.
Рисунок 1 - Схема ультразвукового фрикционного упрочнения поверхностей.
В соединениях с натягом защитные функции поверхностей от разрушения выполняют пленки окислов на поверхностях микронеровностей, относительная деформация которых не должна превышать £<0,05 [2]. В соответствии с этим амплитуда ультразвуковых колебаний не должна быть больше:
%<0, 05Sm (1)
Sm - средний шаг неровностей, берется для более твердой детали.
Многократное приложение нагрузок при смещениях микронеровностей приводит к исчерпанию запаса пластичности, и дальнейшее сообщение валу ультразвуковых колебаний приводит к контактному разрушению пластически насыщенных площадок контакта. В этой связи важное значение имеет определение оптимального времени приложения колебаний, после которого может наступить разрушение площадок контакта микронеровностей. Число циклов, приводящих к разрушению упрочняющегося материала поверхностного слоя, при действии нагрузок, вызывающих упругие деформации в зонах касания [4]:
кр
(s - so f
(2)
где ty- показатель кривой усталости;s - остаточные напряжения, сформированные окончательной операцией технологического процесса обработки;^ - рабочие напряжения, действующие в контакте.
Откуда следует, что для приработки поверхностей контакта необходимо соблюдение условия Пу3<пКр, где Пу3 - число циклов нагружения с ультразвуковой частотой /. Тогда время приработки t должно составить:
t < Пкр t <-j~ (3)
При этом расчет ведется для менее твердой детали.
Контроль достижения микронеровностями деталей состояния упругости (рисунок2) осуществляется ультразвуковым пьезокерамическим датчиком Д, помещаемым на втулку 3. Уменьшение демпфирования, возникающего вследствие пластического деформирования неровностей, сопровождается улучшением акустического контакта между валом 2 и втулкой 3. Датчик Д контактирующий с поверхностью втулки 3 преобразует эти колебания в электрический сигнал и передает их на усилитель У. С усилителя сигнал фактического значения амплитуды поступает на компаратор, где сравнивается с заданным значением. При увеличении амплитуды ультразвуковых колебаний втулки 3 до значений амплитуды, сообщаемой валу 2, с компаратора поступает сигнал на отключение ультразвуковых колебаний магнитострикционного преобразователя 1.
Исследования влияния ультразвукового упрочнения на статическую прочность и контактную жесткость соединений производилось после сборки узлов тепловым (поперечно-прессовым) способом, что позволило исключить пластическое деформирование микронеровностей, которое неизбежно сопутствует продольно-прессовому. Валы изготавливались из стали 40, втулки из закаленной стали ШХ15СГ. В качестве окончательной операции обработки посадочных поверхностей втулок применялось чистовое шлифование и суперфиниширование для вала.
Рисунок 2 - Структурная схема прибора для контроля упругих свойств контактирующих поверхностей Параметры поверхностей вала составляли Ra =0,25 мкм; Sm =0,1 мм и втулки Ra =0,5 мкм; Sm =0,1 мм. В поверхностном слое вала были сформированы остаточные напряжения сжатия с максимальной величиной s=150 МПа и глубиной залегания 0,02 мм. Определение контактных деформаций соединений производилось на специальной установке. Измерение контактной жесткости образцов и реальных соединений производилось по схеме, изображенной на рисункеЗ.
Рисунок 3 - Схемы нагружения образцов (а) и реальных соединений (б)
Для нагружения изготавливались образцы из стали ШХ15СГ (HRC 62.64), с формой контактной поверхности соответствующей нагружаемой поверхности и параметром шероховатости Ra=0,04 мкм. Поверхности валов устанавливаемых в призмы полировались. С целью минимизации влияния окружных смещений, возникающих вследствие кривизны контактирующих поверхностей ширина образцов выбиралась так, чтобы угол охвата ими детали был меньше угла трения j в контакте. При изменении коэффициента трения в диапазоне от 0,1 до 0,2 угол j изменяется от 83 до 77 . В этом случае, можно считать, что осуществляется контактирование плоских поверхностей, т. к. погрешность, вносимая кривизной не превышает 5.7%.
Анализ условий эксплуатации узлов машин показывает, что при сборке соединений важен учет как упругих, так и пластических контактных деформаций, которые возникают при первом рабочем нагружении и существенно изменяют точность относительного расположения собранных поверхностей. Поэтому общая деформация контакта определялась суммой пластической упл и упругой Уупр деформаций неровностей согласно [5,6].
Уупр
/ л \ 1/ v/
3p(i -m2 )p/2Rp2qc
Ek 3tm
_2_
2v+1
(4)
Упл = Rp
r jc Vv
v Htm j
(5)
где m - коэффициент Пуассона;Е - модуль упругости Н/м2; qc - давление в контакте, Мпа;Я - микротвердость поверхности;к3 - коэффициент зависящий от формы неровностей и свойств материала (выбирается по [6]).
Поскольку в общих перемещениях вклад контактных деформаций значительно выше, чем деформации деталей, последние принимаются абсолютно жесткими [3].
В таблице 1 приведены результаты экспериментальных данных, для первого и третьего нагружения и расчетные данные величины контактных деформаций микрорельефов валов, которые запрессовывались при различных значениях амплитуды ультразвуковых тангенциальных колебаний при qc=100 МПа, 6=0,010 мм.
Таблица 1.
Амплитуда УЗК, мкм Величина деформации, мкм
Эксперимент Расчет
Первое нагружение Третье нагружение Упл У У упр Сближение
5 0,62 0,23 0,1611 0,4303 0,5914
10 0,66 0,22 0,1923 0,4533 0,6456
20 0,81 0,22 0,2879 0,5075 0,7954
Анализ результатов показывает, что при ультразвуковой сборке с тангенциальными колебаниями контактная жесткость поверхностей возрастает по сравнению с обычной. Наименьшие контактные деформации соответствуют амплитуде ультразвуковых колебаний £ =5 мкм.
Исследования реальных соединений показали, что величина контактных деформаций у них меньше, чем при испытаниях образцов (таблица 2).
Таблица 2.
Амплитуда УЗК, мкм Первое нагружение Третье нагружение
5 0,34 0,17
10 0,34 0,17
20 0,38 0,18
Как видно из графиков (рисунок 4,а), уменьшение контактных деформаций (у) происходит в ряду: продольно-прессовая сборка, поперечно-прессовая, ультразвуковая, ультразвуковая с фрикционным упрочнением поверхностей в течение t=60 с, t =30 с, t =15 с.
б)
Рисунок 4 -Влияние способа сборки на контактные перемещения (а) и прочность на сдвиг (б):
5=0,10 мм; £=5 мкм; 1 - продольно-прессовая; 2 - поперечно-прессовая; 3 - с ультразвуком; 4 -ультразвуковое фрикционное упрочнение при t=60 с; 5 - ультразвуковое фрикционное упрочнение при t=30 с; 6 - ультразвуковое фрикционное упрочнение при t=15 с; 7 - расчетное значение.
Анализ данных показывает, что существует оптимальное время фрикционного упрочнения, превышение которого приводит к образованию адгезионных связей в соединении вследствие разрушения окисных пленок и микронеровностей и образования физического контакта поверхностей сопряжения. Этот вывод подтверждается исследованиями поверхностей контакта, а также прочности соединений на сдвиг (рисунок 4,б), из которых следует, что при t =60 сРр наибольшая и снижается с уменьшением времени ультразвукового взаимодействия поверхностей.
Исследования сборки с ультразвуковым фрикционным упрочнением в течение t =15с показали, что
степень упрочнения в этом случае составляет 74%, снижаясь пропорционально t до 38%, что, по-видимому, связано с повышением температуры в зоне сопряжения, а также усталостным разрушением микронеровностей.
Установлено, что экспериментальные значения перемещений при сборке с ультразвуковым фрикционным упрочнением отличаются от расчетных на величину пластических деформаций и практически полностью соответствуют значениям упругих перемещений. Это в частности, можно рассматривать как дополнительное свидетельство правомерности описанного механизма взаимодействия поверхностей.
Влияние и направление амплитуды ультразвуковых колебаний на микротвердость поверхностного слоя при различных видах запрессовки показано на рисунке5.
Рисунок 5 - Влияние УЗК на микротвердость поверхностного слоя вала.
1 - обычная запрессовка; 2 - тангенциальные УЗК с амплитудой £=10 мкм; 3 - тангенциальные УЗК фрикционное упрочнение.
Таким образом, исследования показали, что при определенном сочетании амплитуды и времени приложения ультразвуковых колебаний можно повысить контактную жесткость и прочность соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. Механохимические процессы при граничном трении. М.: Наука, 1972. 170 с.
2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
3. Курносов Н.Е., Еремин В.А. Влияние обработки ППД на качество соединений деталей с натягом. Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов». Брянск: БИТМ, 1986. с. 65.
4. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. / Под ред. Крагельского И.В., Алисина
В.В. М.: Машиностроение, 1979. Кн.2.-358 с.
5. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука. 1970. 227 с.
6. Демкин Н.Б., Рыжков Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение. 1981. 244 с.
