Повышение эксплуатационных свойств плоских поверхностей деталей магнитно-динамическим упрочнением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.787

А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАГНИТНО-ДИНАМИЧЕСКИМ

УПРОЧНЕНИЕМ

UDC 621.787

A. M. Dovgalev, S. A. Sukhotsky

IMPROVEMENT OF PERFORMANCE OF FLAT WORKPIECE SURFACES BY USING MAGNETO-DYNAMIC HARDENING

Аннотация

В работе исследованы микротвердость и глубина упрочнения поверхностного слоя плоских деталей. Представлены результаты рентгеноструктурных исследований стальных образцов, упрочненных магнитно-динамическим накатыванием. Приведены сведения о триботехнических испытаниях, указывающих на снижение коэффициента трения и повышение износостойкости упрочненных плоских поверхностей.

Ключевые слова:

упрочнение, микротвердость, накатывание, инструмент, магнитная система, вращающееся магнитное поле, трение, износостойкость.

Abstract

The paper presents adaptive control systems to monitor the quality of machining of the surface layer of machine parts during the process of combined magneto-vibrodynamic strengthening. The smart adaptive control system is described which monitors the accuracy of dynamic size of a machine part aperture during combined machining by means of cutting (abrasive machining) and magneto-vibrodynamic rolling. The data on designs of controlled tools for the combined strengthening treatment by rotating magnetic field and magneto-vibrodynamic.

Key words:

adaptive system, accuracy control, quality of machining, magneto-dynamic roll forming, magnetic field, combined machining, controlled tool.

Введение

Повышение долговечности технических систем является важной задачей, выполняемой как на стадии их конструирования, так и при технологическом изготовлении входящих в них деталей.

Эксплуатационные свойства деталей машин, в том числе износостойкость, определяются качественными характеристиками их поверхностей, обеспечиваемыми на финишных отделочно-упрочняющих операциях технологического процесса.

© Довгалев А. М., Сухоцкий С. А., 2016

Существенное повышение эксплуатационных свойств деталей обеспечивают статические и динамические методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Однако известные методы ПДД в той или мере исчерпали свои технологические возможности. В связи с этим актуальной задачей является разработка новых методов от-делочно-упрочняющей обработки, реализующих силовое взаимодействие деформирующих элементов с упрочняемой поверхностью детали на основе

применения нетрадиционных видов энергии, например, магнитного поля.

Определенный интерес представляет разработанный авторами статьи способ магнитно-динамического накатывания, при котором упрочнение плоских поверхностей заготовок осуществляют двухрядным инструментом, содержащим приводные и деформирующие шары, взаимодействующие между собой посредством вращающегося магнитного поля [1].

В то же время в источниках литературы отсутствуют сведения о технологических возможностях разработанного способа, касающихся характеристик упрочнения поверхностного слоя заготовок и его эксплуатационных свойств.

В связи с этим выполнены исследования основных характеристик поверхностного слоя и проведены трибо-технические испытания плоских поверхностей заготовок, упрочненных магнитно-динамическим накатыванием.

Исследование микротвердости упрочненного поверхностного слоя заготовок

В соответствии с поставленной задачей выполнены исследования микротвердости образцов, полученных из заготовок, плоские поверхности которых были обработаны по различным технологиям.

Исследовали три партии заготовок из стали 45 (200...220 НВ) по 10 шт. в каждой. Рабочие поверхности всех заготовок предварительно обрабатывали методом торцового фрезерования. Затем поверхности заготовок первой партии шлифовали (Яа 0,40.. ..0,35 мкм), а второй и третьей упрочняли магнитно-динамическим накатыванием инструментом с диаметром деформирующих шаров 12 и 15 мм соответственно и получали шероховатость Яа 0,50. 0,40 мкм.

Для упрочняющей обработки использовали инструмент, содержащий

корпус, кольцевые камеры и расположенные в них с возможностью взаимодействия между собой приводные и деформирующие шары, магнитную систему, включающую источник магнитного поля и магнитопроводы [2].

Магнитно-динамическое накатывание плоских поверхностей заготовок осуществляли на вертикально-фрезерном станке модели Б88-400 СКС на следующих режимах: частота вращения инструмента п = 940 мин-1 (V = 375 м/мин); подача инструмента £ = 125 мм/мин; натяг между деформирующими и приводными шарами инструмента И = 0,7 мм; количество рабочих ходов инструмента -один.

Из полученных заготовок вырезали образцы размером 10 х 10 х 10 мм, торцовые поверхности которых шлифовали, а затем полировали по стандартной методике [3].

Измерение микротвердости по глубине исследуемых образцов производили при помощи твердомера 1пёеп1ее 2ИУ (Великобритания).

Определение микротвердости проводили по методике, в соответствии с которой на торцовую поверхность образца наносили отпечаток под действием статической нагрузки, приложенной к алмазному наконечнику прибора в течение определенного времени. К алмазному наконечнику прикладывали нагрузку 0,981 Н в течение 10 с. После удаления нагрузки измеряли диагонали полученного отпечатка [2, 4]. За величину микротвердости поверхности на исследуемой глубине образца принимали среднее значение пяти измерений параметра.

Результаты исследований микротвердости заготовок по глубине представлены на рис. 1.

Как видно из рис. 1, в поверхностном слое микротвердость заготовок первой партии изменяется в пределах 2300.2400, а заготовок второй и третьей - в диапазоне 2550.2950 МПа. При этом глубина упрочнения поверхностного слоя заготовок, обработанных маг-

нитно-динамическим накатыванием, составляет 650 мкм.

На рис. 2 представлена зависимость степени упрочнения заготовок по глубине (отношение микротвердости

поверхностного слоя на соответствующей глубине заготовок, упрочненных магнитно-динамическим накатыванием, к микротвердости поверхности не-упрочненных заготовок).

1

3000 MI 1а 2900

2800

2700

HV 26QQ

2500

2400

2300

2200

-в— п _ О П °о /2

в П^ □ □ □ / с

3 в' ( ' 0 BS з ° osP

X

___А А

Л~7Г-- Л л Д 1 L А Л Л

I-' А А

0 100 200 300 400 500 мкм 700

Лу -—

Рис. 1. Изменение микротвердости в поверхностном слое заготовок по глубине: 1, 2, 3 - заготовки первой, второй и третьей партий соответственно

за %

25

t

20

V, 15

10

Ы

V rw 2

100 200 300 400 500 мкм

700

Рис. 2. Степень упрочнения поверхности заготовок по глубине: 1, 2 - упрочнение магнитно-динамическим накатыванием инструментом с диаметром деформирующих шаров 12 и 15 мм соответственно

Анализ результатов изменения микротвердости в поверхностном слое показал, что на глубине заготовок до 350 мкм упрочнение составляет 18.26 %, а на глубине 350.650 мкм -11.20 %.

Рентгеноструктурные исследования поверхностного слоя упрочненных заготовок

Для оценки характеристик упрочненного поверхностного слоя заготовок (плотности дислокаций, остаточных напряжений сжатия, текстуры) образцов были выполнены рентгеноструктурные исследования.

Обрабатывали заготовки размером (Ь х В х Н) 200 х 200 х 15 мм.

Группа I заготовок: материал -сталь 45 (200.220 НВ):

а) вид механической обработки поверхности - шлифование (Яа 1,2.1,1 мкм);

б) вид механической обработки поверхности - шлифование и последующее магнитно-динамическое накатывание (Яа 0,28.0,22 мкм).

Группа II заготовок: материал -сталь 45 (41.44 НЯС):

а) вид механической обработки поверхности - шлифование (Яа 1,10.1,05 мкм);

б) вид механической обработки поверхности - шлифование и последующее магнитно-динамическое накатывание (Яа 0,35.0,30 мкм).

Магнитно-динамическое накатывание осуществляли на следующих режимах: п = 800 мин-1 (V = 320 м/мин); £ = 125 мм/мин; число рабочих ходов инструмента - 1; охлаждение - масло индустриальное И-20; величина натяга между деформирующими и приводными шарами инструмента - 0,7 мм.

Из обработанных заготовок вырезали образцы размером 10 х 10 х 12 мм.

Исследования образцов проводили на автоматизированном рентгеновском комплексе на базе дифрактометра

ДРОН-3М в СоКа-излучении с применением монохроматизации дифрагированного пучка. В качестве кристалла-монохроматора использовали пластину пиролитического графита. Для получения информации о структуре поверхностных слоев исследуемых образцов проводили запись дифракционных линий (110), (200), (211), (220) матричной а-Бе-фазы, расположенных в интервале углов рассеяния 20, равных 48.56, 74.80, 96.104, 120.128 град соответственно. Рентгеновская съемка выполнялась в режиме сканирования (по точкам) с шагом 0,1 град при продолжительности набора импульсов в 15 и 20 с при записи линий (110), (200) и (211), (220) соответственно. Период кристаллической решетки материала образцов, а также напряженное состояние их поверхностных слоев оценивали по результатам записи дифракционной линии (220).

Физическое уширение в исследуемых дифракционных отражений определяли методом аппроксимации [5]. При этом вводили поправки на геометрию съемки и неоднородность излучения.

Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1 и 2.

Как видно из табл. 1, в образцах группы I после шлифования дифракционные линии матричной а-Бе-фазы в 110, Р220 заметно уширены (по сравнению с эталонным образцом) и равны 6,25 • 10-3 и 12,04 • 10-3 рад соответственно. Последнее свидетельствует о достаточно высокой плотности дефектов кристаллической решетки. Период решетки а-фазы составляет а = 0,28662 нм. Вместе с тем, величина отношения в220/в110 близка к величине отношения 8ее0220/8ее0110, что свидетельствует о формировании в поверхностных слоях шлифованных образцов из стали 45 фрагментированных структур, которые характеризуются скоррелированным расположением дислокаций в виде стенок, образующих границы субзерен [6].

Табл. 1. Значения физического уширения дифракционных линий и периода решетки матричной а-фазы поверхностных слоев образцов

Группа образцов Вид механической обработки поверхности рись 10-3 рад р220, 10-3 рад Р 220 Р110 а, нм

I а Шлифование 6,25 12,04 1,93 0,28662

б Шлифование + МДН 6,92 14,33 2,07 0,28676

II а Шлифование 9,52 26,03 2,73 0,28661

б Шлифование + МДН 14,61 31,55 2,16 0,28674

Примечание - 1§8220/1§вц0 = 3,82; 8ес0220/8ес0110 = 1,91

Табл. 2. Распределение интенсивности в дифракционных линиях

Группа Дифракционная линия

образцов 110 200 211 220

I а 1,00 0,15 0,37 0,19

б 1,00 0,11 0,70 0,20

II а 1,00 0,15 0,45 0,17

б 1,00 0,10 0,65 0,20

Магнитно-динамическая упрочняющая обработка поверхности шлифованных образцов группы I сопровождается повышением плотности дефектов кристаллической решетки в поверхностном слое, что следует из регистрируемого уширения дифракционных линий матричного а-твердого раствора. Согласно значениям соотношения Р220/Р110 для упрочненных образцов из стали 45 (200.. .220 НВ), магнитно-динамическое накатывание существенно не изменяет структуру их поверхностных слоев. Период кристаллической решетки матричной а-фазы в упрочненной магнитно-динамическим накатыванием поверхности заметно возрастает и составляет а = 0,28676 нм (для эталонного образца из стали а = 0,28664 [7]).

Анализ образцов группы II показывает, что после их закалки и последующего шлифования дифракционные линии матричной а-фазы заметно уширены (Р110, Р220 соответственно равны 9,52 • 10-3 и 26,03 • 10-3 рад ). Это указывает на от-

носительно высокую плотность дефектов кристаллической решетки. Последующее упрочнение шлифованных образцов из стали 45 (41.44 НЯС) магнитно-динамическим накатыванием приводит к увеличению плотности дефектов кристаллической решетки, о чем свидетельствует возрастание Р до 14,61 • 10-3 рад для линии (110) и 31,55 • 10-3 рад для линии (220).

Из сравнительного анализа полученных данных (см. табл. 2) следует, что магнитно-динамическое накатывание поверхности образцов из стали 45 приводит к формированию текстуры, на что указывает повышение интенсивности дифракционной линии (211).

После магнитно-динамического накатывания в поверхностном слое образцов первой и второй партий присутствовали остаточные напряжения сжатия величиной 190 и 185 МПа соответственно, определенные по [7].

Триботехнические исследования упрочненных плоских поверхностей заготовок

В ходе сравнительных испытаний определяли износостойкость плоских поверхностей заготовок, обработанных по различным технологиям.

Материал исследуемых заготовок:

- первая и вторая партии -сталь 45 (200.220 НВ) ГОСТ 1050-88;

- третья и четвертая партии -сталь 45 (41.44 НЯС) ГОСТ 1050-88.

Технология получения рабочей поверхности исследуемых заготовок:

- первая партия: торцовое фрезерование с последующим шлифованием (Яа 0,82.0,80 мкм);

- вторая партия: торцовое фрезерование с последующим магнитно-динамическим накатыванием (п = 800 мин-1 (V = 320 м/мин), £ = 125 мм/мин, к = 0,7 мм), Яа 0,46.0,42 мкм;

- третья партия: торцовое фрезерование, термическая обработка, шлифование (Яа 0,75.0,72 мкм);

- четвертая партия: торцовое фрезерование, термическая обработка, магнитно-динамическое накатывание (п = 800 мин-1 (V = 320 м/мин), £ = 125 мм/мин, к = 0,7 мм), Яа 0,52.0,5 мкм.

Из полученных заготовок подготавливали призматические образцы с размерами 6 х 10 х 7 мм в количестве 10 шт. для каждой партии.

Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили на три-бометре АТВП, оснащенном устройством для измерения коэффициента трения, обеспечивающим возвратно-поступательное движение контактирующих тел при средней скорости взаимного перемещения 0,1 м/с. Сравнительные испытания триботехнических свойств образцов проводили в режиме трения при давлении 10 МПа с использованием масла индустриального И-20.

В качестве контртела использовали пластину из закаленной стали У8 (800 НУ10) с размерами 5 х 40 х90 мм.

Измерение величины массового износа призматических образцов осуществляли весовым методом с использованием аналитических весов АДВ-200М. Погрешность измерения массы образца составляла 0,05 мг. С поверхности образцов перед взвешиванием тщательно удалялись продукты изнашивания, затем образцы промывались, протирались спиртом и просушивались. После просушивания взвешивание каждого образца осуществляли 5 раз. Образцы взвешивали до начала испытаний и после достижения 20000 циклов возвратно-поступательного движения. Общий путь трения составлял 1200 м.

Величину линейного износа образцов при трении в среде смазочного материала определяли методом искусственных баз, основанным на сравнении глубин отпечатков алмазной пирамидки в образцах до и после изнашивания. Отпечатки на поверхности образцов изделия получали путем вдавливания ин-дентора (нагрузка Р = 98 Н) в виде пирамидки с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями а = 136°. Нижняя точка положения отпечатка от индентора в исследуемом образце являлась искусственной базой, от которой измеряли расстояние до поверхности трения. Глубину расположения отпечатка от вдавливания индентора в исследуемый образец вычисляли по [8].

Отпечатки на поверхность исследуемых образцов наносили вдавливанием индентора с помощью прибора БигаБеап 20, предназначенного для определения твердости деталей по Вик-керсу.

Результаты триботехнических исследований представлены в табл. 3 и на рис. 3.6.

Табл. 3. Значения коэффициента трения и интенсивности массового 1Ц и линейного 1к изнашивания образцов, обработанных по различным технологиям

Материал и способ получения поверхности образца Коэффициент трения / Интенсивность массового изнашивания 1ч, 10-3 мг/м Интенсивность линейного изнашивания 1к, 10-3 мкм/м

Сталь 45 (200.220 НВ), фрезерование + шлифование 0,116 0,47 23,0

Сталь 45 (200.220 НВ), фрезерование + МДН 0,104 0,20 11,7

Сталь 45 (41.44 НЯС), фрезерование + ТО + шлифование 0,131 0,45 21,0

Сталь 45 (41.44 НЯС), фрезерование + ТО + МДН 0,109 0,12 6,8

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения рабочей поверхности образцов из стали 45 (200 .220 НВ) от пути трения: 1 - фрезерование + шлифование; 2 - фрезерование + МДН

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения рабочей поверхности образцов из стали 45 (41.44 НЯС) от пути трения: 1 - фрезерование +ТО + шлифование; 2 - фрезерование + ТО + МДН

Рис. 5. Зависимость линейного износа Ди образцов из стали 45 (200.220 НВ) от пути трения ¿тр:

1 - фрезерование + шлифование; 2 - фрезерование + МДН

30 ыкн

25

I-

Д. 15 10 5 0

Ч

1

/

/ 2

/

г

200 400 600 800 1000м1200 -—

Рис. 6. Зависимость линейного износа Ди образцов из стали 45 (41.44 HRC) от пути трения LTp: 1 - фрезерование + ТО + шлифование; 2 - фрезерование + ТО + МДН

Исследование износостойкости показало, что интенсивность линейного изнашивания образцов из стали 45 (200.220 НВ), рабочие поверхности которых получены фрезерованием и последующим шлифованием, составила 23 мкм, а обработанных фрезерованием и последующим магнитно-динамическим накатыванием - 11,7 мкм. При этом ко-

эффициент трения поверхностей заготовок, полученных шлифованием, составил 0,116, а упрочненных магнитно-динамическим накатыванием - 0,104.

Таким образом, магнитно-динамическое накатывание (по отношению к шлифованию) позволяет снизить коэффициент трения поверхностей заготовок на 11,5 % и повысить их износостой-

кость в 2,2 раза.

Исследования показали, что интенсивность линейного изнашивания образцов из стали 45 (41.44 НЯС), рабочие поверхности которых получены фрезерованием и последующим шлифованием, составляет 21 мкм, а обработанных фрезерованием и последующим магнитно-динамическим накатыванием -6,8 мкм. При этом коэффициент трения поверхностей заготовок, обработанных шлифованием, составляет 0,131, а упрочненных магнитно-динамическим накатыванием - 0,109. Следовательно, магнитно-динамическое накатывание поверхностей заготовок из стали 45 (41.44 НЯС) снижает их коэффициент трения на 20 % и повышает износостой-

кость в 3,1 раза.

Заключение

Установлено, что магнитно-динамическое накатывание плоских поверхностей заготовок обеспечивает достижение следующих характеристик качества: повышение микротвердости поверхностного слоя на 11.26 %; упрочнение поверхности на глубину до 650 мкм; повышение плотности дефектов кристаллической решетки деформированного металла и формирование в упрочненном слое образцов остаточных напряжений сжатия величиной 185.190 МПа; уменьшение коэффициента трения поверхностей на 12.20 % и повышение их износостойкости в 2,2.3,1 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструмент и способ магнитно-динамического упрочнения плоской поверхности детали : пат. 17545 РБ, МПК В 24 В 39/02 / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий; заявитель Белорус.-Рос. ун-т. -№ а 20111278 ; заявл. 03.10.11; опубл. 30.10.13 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. -2013. - № 3. - 4 с.

2. Математическое моделирование магнитно-динамического инструмента для упрочняющей обработки плоских поверхностей / А. М. Довгалев, Н. А. Леванович, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 55-65.

3. Григорович, В. К. Твердость и микротвердость металлов / В. К. Григорович. - М. : Наука, 1976. - 230 с.

4. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 34 с.

5. Лысак, Л. И. Определение истинной ширины рентгеновских интерференционных линий с применением стандартного образца / Л. И. Лысак // Вопросы физики металлов и металловедения : сб. тр. -Киев, 1955. - № 6. - С. 40-53.

6. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский [и др.]. - М. : Металлургия, 1982. - 632 с.

7. Белый, И. В. Справочник по магнитоимпульсной обработке металлов / И. В. Белый, С. М. Фертик, Л. Т. Хименко. - Харьков : Вища шк., 1977. - 320 с.

8. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. -М. : ИПК Изд-во стандартов, 1993. - 34 с.

Статья сдана в редакцию 26 марта 2016 года

Александр Михайлович Довгалев, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: ret@bru.by.

Сергей Александрович Сухоцкий, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. E-mail: darvin_serg@mail.ru.

Aleksandr Mikhailovich Dovgalev, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: ret@bru.by.

Sergey Aleksandrovich Sukhotsky, senior lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: darvin_serg@mail.ru.