Повышение эффективности обработки деталей из высокопластичных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция механики

УДК 621.92+621.9.015

В.И. Бутенко, Д.И. Диденко, Д.С. Дуров, АД. Захарченко, ИЛ. Попов,

Т.А. Рыбинская

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Механическая обработка деталей из низкоуглеродистых хромоникелевых сталей (12Х2Н4А, 20ХН2МА, 30ХГСА), алюминиевых и титановых сплавов (В93пчТ3, 1933Т3, ВТ22ч, ВТ23) представляет большие трудности в связи с возникновением в зоне обработки высоких температур, вызывающих структурные изменения обрабатываемого материала, снижение стойкости используемого инструмента, его вибрации и т.д. Исследованиями [1, 2] установлено, что в большинстве случаев изменение видов и режимов обработки конструкционных материалов, приводящих к увеличению влияния силового поля и повышению степени пласти,

растягивающих напряжений за исключением обработки пластичных металлов, когда повышение влияния силового поля может привести к усилению растягивающих и уменьшению сжимающих напряжений.

Изменение режимов и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее влияние теплового фактора (повышение скорости резания, увеличение засаливания абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого металла и режущего инструмента, увеличение длительности соприкосновения отдельных участков обрабатываемой поверхности с режущим инструментом, являющимся источником нагревания металла поверхностного слоя, ухудшение условий охлаждения и т. п.), обусловливает рост остаточных напряжений сжатия или превращение сжимающих остаточных напряжений в растягивающие [3].

Знак и глубина распространения остаточных напряжений, возникающих в результате фазовых превращений металла поверхностного слоя, определяются полнотой протекания этих превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упру, -.

При обработке таких пластичных материалов, как сталь 30ХГСА, увеличение количества теплоты в зоне резания, связанное с повышением скорости резания, может привести к закалке металла поверхностного слоя, полнота протекания которой возрастает с увеличением температуры нагрева, а, следовательно, и скорости резания. Увеличение удельного объема металла поверхностного слоя при его закалке приводит к снижению остаточных напряжений растяжения, формирующихся

при малых скоростях резания, и превращению их в напряжения сжатия при обработке на больших скоростях.

Проведен анализ влияния различных факторов процесса резания высокопластичных материалов [2-4], позволивший определить направления изменения величины остаточных напряжений в материале поверхностного слоя (табл. 1) и повысить эффективность их обработки лезвийным инструментом.

1

Остаточные напряжения в поверхностном слое детали в зависимости от вида материала и режима токарной обработки

Вид материала Преобладающие аост в ПС Изменение аост

с ростом V с ростом 8 с уменьшением У

Пластичные Растяжения Увел. растяж. Увел. растяж. Сниж. растяжения

Пластичные закаливаемые Растяжения Сниж. растяжения, переход в сжатия . растяжения, переход в сжатия . растяжения

- стичные Сжатия Сниж. сжатия, переход в растяжения . .

Закаленные Сжатия Сниж. сжатия Сниж. сжатия Увел. сжатия

,

, , при обработке с высокой скоростью резания, и при высокой температуре в зоне ,

.

при абразивной обработке [4]. Оно возрастает при усилении нагрузки на абразив, ,

( ),

( . 1). -ния круга нагрузка на абразивные зерна снижается, а количество теплоты, выделяющейся в зоне шлифования и снимающей упрочнение, увеличивается. С увеличением числа ходов выхаживания в связи с продолжительным трением абразивных зерен об обрабатываемую поверхность, упрочнение металла поверхностного слоя .

Изменение условий шлифования, влекущее за собой повышение температуры металла поверхностного слоя (ухудшение охлаждения, уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала, увеличение частоты вращения круга, затупление, засаливание круга, увеличение глубины шлифования и подачи и т.д.), приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напря-. ,

силового воздействия абразивных зерен, вызывающее пластическую деформацию металла поверхностного слоя (хороший теплоотвод из зоны обработки, использование мягких кругов, рост частоты вращения изделия и снижение скорости враще-, ), -гивающих и увеличению сжимающих остаточных напряжений [4].

Рис.1. Влияние зернистости и скорости круга на микротвердость поверхностного слоя закаленной стали 30ХГСА: 1 - зернистость 5; 2 - зернистость 6; 3 - зернистость 10

В связи с этим при использовании шлифования как финишной операции целесообразно применение устройства, изображенного на рис. 2, представляющего собой шлифовальный круг переменной зернистости [1, 5]. При работе такого круга участки абразива с меньшей твердостью изнашиваются быстрее более твердых

, ,

способствующие возникновению в зоне обработки микроударов, увеличивающих остаточные сжимающие напряжения. Кроме того, снижается время постоянного контакта поверхности детали и шлифовального круга, что снижает вероятность .

, , -, -

, -

го знака и в большинстве случаев снижающим эксплуатационные свойства металла . , , валов мотовила зерноуборочных комбайнов [6].

1

2

3

Рис.2. Шлифовальный круг переменной зернистости: 1 - участки абразива мелкой ; 2 - ; 3 -

крупной зерн ист о ст и

Другой важнейшей проблемой повышения эффективности обработки деталей из высокопластичных материалов является резьбоформирование. Одним из наиболее современных и перспективных способов получения резьб является резь-бонакатывание. Известно, что у накатанных резьб по сравнению с резьбами, полученными обработкой резанием, предел прочности при растяжении увеличивается на 10...30%, сопротивление износу на 20...30%, усталостная прочность на 50...70% . , -чально производится предварительное нарезание профиля резьбы посредством , , -ской деформации деформирующими гребнями, расположенными по винтовой линии с нарастающим углом затылования по ходу [7]. Особенность процесса резьбо-формирования заключается в том, что обработка производится за счет смещения поверхностного слоя и вследствие того, что волокна перерезаются, в основном, по боковым поверхностям профиля на малую глубину. При последующем выдавливании пластически деформирующими гребнями формируется сам профиль, причем вершина формируется на конечном этапе калибровочной пластической обработ-.

простой и надежной фиксации, что упрощает процесс их переточки. Совмещение процесса резания и процесса выдавливания уменьшает количество чешуек, отрывающихся с поверхности резьбы при пластическом воздействии, снижает разбивание профиля резьбы, повышает ее точность и производительность обработки. При формировании наружной резьбы с применением резьбоформирующих плашек может быть использовано то же оборудование, что и при нарезании, так как кинематика процессов аналогична.

Разработан способ нарезания внутренней многозаходной резьбы [8], заключающийся в том, что резьбоформирование производится в предварительно упроч-.

следующих случаях:

♦ для обработки цвета ых металлов и сплавов, сталей низкоуглеродистых, конструкционных и легированных (в том числе высокопрочных и жаропрочных), титановых сплавов, инструментальных сталей (в том числе быстрорежущих) и упрочненных сталей;

♦ для резьб преимущественно нормальных длин, определенных ГОСТ 16093-70, а также для резьб с шагом до 2 мм;

♦ для диаметров резьб преимущественно до 50 мм.

Предлагаемый способ позволяет получить резьбовое соединение с меньшим количеством рабочих витков при высоких прочностных характеристиках резьбы с повышенной точностью и обеспечивая высокую герметичность соединения за счет

.

резьбового соединения дополнительно проявляется натяг, способствующий предотвращению самоотвинчивания соединения.

Разработка способов повышения эффективности обработки деталей из высокопластичных материалов тесно связана с условиями эксплуатации этих деталей [9]. Известно, что усталостная прочность деталей из низкоуглеродистых хромоникелевых сталей и алюминиевых сплавов в значительной степени зависит от упроч-

( ) . -ческой пластической деформации и предотвращает возникновение субмикроско-

( ), -

.

обработки детали производят специальными упрочняющими операциями (обкатка

роликами или шариками, дробеструйный наклеп и др.). Упрочненный слой препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин, нейтрализует вредное влияние наружных дефектов и шероховатости поверхности. Исследования деталей с упрочненным слоем после испытаний на усталость показали, что усталостные трещины чаще зарождаются не в упрочненном слое детали, а в глуби. , более неблагоприятных условиях нагружения, а с учетом геометрии и концентра, . , интенсивность усталостного разрушения материала зависит от условий обработки поверхностного слоя детали.

Предлагаемые пути повышения эффективности обработки деталей из высокопластичных материалов прошли апробацию на ряде машиностроительных предприятий страны и рекомендуются для широкого внедрения в современное произ-.

БИБЛИОГРДФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бутенко В.К, Дуров Д.С. Совершенствование процессов обработки авиационных материалов. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. - 127 с.

2. . . - -лов и сплавов. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 211 с.

3. Мат алии А.А. Технология машиностроения / Учебник для машиностроительных вузов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

4. . . . - :

Изд-во ТРТУ, 2001. - 224 с.

5. . ., . ., . . .

2201865, кл. Б24Б5/14,7/14. Заявл. 30.11.2000. Опубл. 10.04.2003. Бюл. № 10.

6. . ., . ., . .

// . .

, 2005, 9. - . 240.

7. . ., . ., . . . 2258585, .

Б2305/04. Заявл. 13.05.2004. Опубл. 20.08.2005. Бюл. № 23.

8. . ., . ., . . -ной резьбы. Патент РФ № 2231429, кл. Б2301/00. Заявл. 15.01.2003. Опубл. 27.06.2004. Бюл. № 18.

9. Суслов АТ. Качество поверхностно го слоя деталей машин. - М.: Машиностроение, 2000. - 308 с.

УДК 620.178.3

АД. Захарченко

ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ МАСШТАБНОГО

ЭФФЕКТА

Усталость металлов представляется как сложное явление с многообразием действующих факторов: свойств структуры металлов, условий нагружения, влияния размеров и геометрии образцов, условий зарождения и распространения усталостной трещины и др.

В работе рассматриваются технологические причины проявления масштабного эффекта в снижении пределов выносливости материала с увеличением разме-