CC BY
31
А.Ж. Игибаев, Т.Ш. Баймагамбетов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ППД В ДОСТИЖЕНИИ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА ДЕТАЛИ
В статье исслгдовано влияние эффективности различных методов поверхностно-пластического деформирования на качество и долговечность современной машиностроительной продукции.
Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение долговечности деталей машин, которая в существенной мере определяется качественным состоянием поверхностного слоя. Именно от качества обработки во многом зависят важнейшие показатели механизмов - работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и другие технические и технико-экономические характеристики. Работоспособность деталей машин зависит от качества обработки входящих деталей и состояния их поверхностного слоя, которое направленно формируется на финишных операциях технологического процесса изготовления.
Поверхность и поверхностный слой детали с точки зрения прочности являются ослабленными. Основной причиной этого является то, что атомы на поверхности имеют устойчивые связи только с соседними и нижележащими атомами, и их состояние является неуравновешенным, неустойчивым.
Разработан ряд методов, позволяющих улучшить состояние поверхностного слоя, в частности, большое распространение, получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). ППД - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения. При ППД в результате деформационного упрочнения поверхностного слоя, в нем возникают сжимающие остаточные напряжения, сглаживание неровностей и улучшение их профиля, повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5 - 2,5 раза, а долговечность в 5 - 10 раз и более.
В настоящее время проводится большое количество исследований по нахождению оптимальной системы параметров качества поверхностей деталей машин, которая бы наиболее полно отображала их эксплуатационные свойства.
Усилиями многих ученых внесен значительный вклад в развитие
64
теории поверхностно пластического деформирования. Среди которых Азаревич Г. М., Алексеев П. Г., Браславский В. М., Дрозд М. С., Жасимов М. М., Зайдес А. В., Илюшин А. А., Ишинский А. Ю., Кудрявцев И. В., Маталин А. А., Папшев Д. Д., Рыжов Э. В., Сидякин Ю. И., Смелянский В. М., Суслов А. Г., Шнейдер Ю. С., Ярославцев В. М., Юдин Д. Л. и др.
При изготовлении и эксплуатации деталей машин на их поверхностях образуются неровности и микронеровности, а слой металла, непосредственно прилегающий к поверхности, изменяет структуру, фазовый и химический состав, в нем возникают остаточные напряжения.
Слой металла, имеющий отличные от основной массы детали структуру, фазовый и химический состав, называют поверхностным.
В соответствии с ГОСТ 18296 методы ППД делят на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение очага воздействия, который последовательно проходит всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким видам относят различные виды выглаживания (рисунок 1, а) и накатывания (рисунок 1, б), а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности (рис. 1, в) без перемещения очагов воздействия.
При ударных методах (рисунок 1, г) инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность [1, с. 434 - 441].
Рисунок 1 - Характер контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью при различных методах ППД Основные параметры ППД следующие: упругая и пластическая деформация в очаге деформирования, площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, сила воздействия на инструмент, напряжения, возникающие под действием этой силы, и кратность приложения силы. Как при статическом, так и при ударном воздействии на обрабатываемой
65
поверхности в первоначальный момент образуется отпечаток от инструмента, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или в серию отпечатков. При нагружения твердого шара статической или ударной силой Р (рисунок 2, а) он вдавливается в обрабатываемый материал: по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рисунок 2, б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идет по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражаются в размере отпечатка ё, соответствующего ОС. Пластическое деформирование под отпечатком распространяется равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность шара.
о С ас Атах а
а)
Рисунок 2 - Течение металла при вдавливании сферического индентера: а - отпечаток; б- взаимосвязь упругой и пластической деформаций от напряжения вдавливания
Степень наклепа различных структур, оцененная по относительному приращению твердости и получения при одних и тех же условиях, показана на рис. 3. Сорбит имеет не только минимальную глубину, но и минимальную степень наклепа.
0 2 4 <5" & /О Г2 /Ь Г/5 0 2 « гГ ^ ® /7 Л /7 2 £ <Г « /? »
¿//Т/ЪРО/Г
Л» /Г}
Рисунок 3 - Изменение диаметра отпечатка при увеличении числа ударов: а - Ст3, НВ 112; б - 12ХН4ВА, НВ 340; в - 35ХМ, НВ 207
Многократное приложение одной и той же статической нагрузки при вдавливании шара в одно и то же место не приводит к заметному увеличению размеров пластического отпечатка. В отличие от статического, при ударном вдавливании шара с увеличением числа ударов до 15 - 20
размер отпечатка для различных условий обработки увеличивается в 1,25- 1,55 раза (рисунок 4).
Рисунок 4 - Степень максимального наклепа для структур металла
различной твердости
Рисунок 5 - Характер распространения наклепанной зоны под поверхностью отпечатка
Глубина наклепанной зоны, полученной при ударном вдавливании шара, практически равна глубине наклепанной зоны, полученной при статическом однократном вдавливании шара, при условии равенства диаметров отпечатков. Поэтому зависимости параметров от глубины наклепанного слоя для условий статического вдавливания могут быть применены для ударного нагружения.
При обработке ППД в результате деформирования поверхностного слоя металла и работы трения образуется теплота, нагревающая заготовку, инструмент и рабочие тела, а также окружающую среду. Теплота деформирования генерируется в очаге деформирования, теплота трения на поверхности контакта. Источник теплоты - местный, характеризуемый эффективной тепловой мощностью, т.е. количеством теплоты, образующимся в единицу времени и распределением теплоты по объему. Теплота образуется в основном вследствие пластического деформирования, источник теплоты соответствует форме очага
67
деформирования, а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки.
Обработка ППД сопровождается сложными структурными и фазовыми превращениями, характерными для формирования поверхностного слоя. В первоначальный момент происходит дробление зерен металла на блоки (полигонизация) и образуется мозаичная структура. Далее вследствие усиления развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, значительно измельченные зерна. При этом кристаллиты теряют свою глобоидную форму, сплющиваются, вытягиваются в направлении деформирования. Резко изменяется соотношение их размеров, образуется упорядоченная ориентированная структура волокнистого характера с анизотропным механическими свойствами, когда пластичность вдоль волокон выше, чем в поперечном направлении.
При завышенных силовых параметрах обработки может происходить перенаклеп, в результате, которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла, поверхностные зерна сплющиваются так, что становятся почти неразличимыми. Резко увеличивается шероховатость поверхности. Наклеп металла можно частично или полностью снять путем отжига. Перенаклеп — необратимый процесс, при котором нагрев металла не возвращает его структуру и физико-механические свойства [1, с. 62- 74].
Практический интерес представляет обработка методами ППД поверхности изношенной детали, восстановленных методами порошковой металлургий. В процессе раскатывания гранулы металлического порошка, расположенные беспорядочно по поверхности спечённой детали, подвергаются упруго - пластической деформации. В результате сжатия соприкасающихся тел по граничной площадке сжимающая сила будет распределена в виде нормального давления Р.
Перемещение W некоторой точки граничной площадки под действием нормального давления можно определить как сумму от действия нормального давления на элементы площадки ds.
Предполагается, что соприкосновение ролика с деталью под действием нормальной силы представляет собой круговую площадку.
Получена аналитическая зависимость для определения осевой силы при раскатывании спечённых деталей.
О Р
68
Р =— 11-5 л
<® з шах А
5р
Е
Для измерения крутящего момента и осевой силы спроектировано приспособление.
В свете современных представлений, качество детали оценивается следующими показателями: точностью размера, относительного поворота, формы в продольном и поперечном сечениях, волнистостью шероховатости.
Отсутствует общепринятый перечень показателей, по которому оценивалась бы качество поверхностного слоя. Большое разнообразие в выборе показателей качество поверхностного слоя (5,40,80,105,170,175) привело к тому, что в одних случаях измеряют твёрдость, в других - остаточное напряжение или комбинацию из названных и прочих показателей. По степени влияния на эксплуатационные свойства детали показателями качество поверхностного слоя выбраны следующие: напряженное состояние, структура и другие физика механические показатели (удельный вес, предел текучести и.т.д.), шероховатости поверхностного слоя.
Исследованиями установлено, что раскатывание отверстий спеченных втулок, обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ra 2,5-1,25 мкм
Показатели качество весьма разнообразны, и в связи развитием науки и техники их число соответственно увеличивается. Для оценки же результатов ППД в сопоставлений с результатами других процессов вполне достаточно выше названных [2].
Сущность ППД при обработки спеченных детали, также как и сплошных материалов, создание необходимого эквивалентного напряжения с в точках поверхностного слоя с целью получения заданных показателей качества.
Создаваемое эквивалентное напряжение должно быть достаточным для протекания пластической деформации. Сам же процесс пластической деформаций состоит из совокупности двух равновесных, одновременно протекающих процессов. Первый из них характеризуется простым смещением частиц материала и их групп, что приводит к заполнению пор и уплотнению поверхностного слоя. В точках контакта инструмента с деталью, где эквивалентные напряжения достигают значения предела текучести материала, протекает второй процесс, характеризующийся пластическим течением металла, при котором отдельные зёрна деформируются за счет сдвигов. Направления деформаций зёрен, как показано в теории упругости и
69
пластичности, совпадает с направлением главных напряжений. В результате изменяется структура материала, и зерна у поверхности вытягиваются. Эти процессы приводят к образованию уплотненного поверхностного слоя с пониженной пористостью. Возрастают твёрдость и микро - твердость поверхности [3]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Горюнова, Ю. А. Разработка конструкторского и технологического обеспечения поверхностно-пластической деформации деталей типа тел вращения. - 2010.
2 Жасимов, М. М. Управление качеством деталей при поверхностном пластическом деформировании. - Алма-Ата: Наука, 1986. - 208 с.
3 Перспективы развития машиностроения Казахстана: (научно технические проблемы) / Баймагамбетов, Т. Ш., Казыханов, Х. Р., Степанов, П. Б и др. - Алма-Ата: Наука, 1988. - 152 с.
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар. Материал поступил в редакцию 10.09.12.
А.Ж. Игибаев, Т.Ш. Баймагамбетов
Бер1лген тетштщ сапасына жетуде ЖПД технологиясыныц мYмкiндiктерi
A.Zh. Igibayev, T.Sh. Baimagambetov
Technological capabilities of SPD in achieving the specified quality of parts
Мацалада цазiргi машина жасайтын eHdipicmщ me3iMdrn^i мен сапасыныц жецiл-желпi пластикалыц деформация эрmYрлi odicm^ тшмдшгт зерmmейдi.
The authors studied the influence of efficiency of various methods of surface-plastic deformation on the quality and durability of the modern engineering products.
70
