Научная статья на тему 'Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование'

Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
1543
299
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
износостойкость / остаточные напряжения / циклическая прочность / шероховатость / поверхностное пластическое деформирование / ультразвуковое упрочнение / ультразвуковая колебательная система / ультразвуковой концентратор
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Казанцев В. Ф., Кудряшов Б. А., Нигметзянов Р. И., Приходько В. М., Фатюхин Д. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A problem of creating effective methods of surface hardening is one of the most important in the transport machinery industry. Most parts work in the conditions of intensive wear at high contact loadings and unfavorable terms of environment influence. One of the most effective methods of hardening part surface is ultrasonic surface plastic deformation.

Текст научной работы на тему «Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование»

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

В.Ф. Казанцев, профессор, д.ф.-м.н., Б.А. Кудряшов, профессор, к.т.н., Р.И. Нигметзянов, доцент, к.т.н.,

В.М. Приходько, профессор, д.т.н.,

Д.С. Фатюхин, доцент, к.т.н., МАДИ (ГТУ)

Аннотация. Рассмотрен один из наиболее важных в транспортном машиностроении методов упрочнения поверхности детали путем ультразвукового поверхностного пластического деформирования.

Ключевые слова: износостойкость, остаточные напряжения, циклическая прочность, шероховатость, поверхностное пластическое деформирование, ультразвуковое упрочнение, ультразвуковая колебательная система, ультразвуковой концентратор.

Введение

В числе важнейших задач современного машиностроения и других отраслей металлообрабатывающей промышленности, решаемых в России и за рубежом, в связи с высокими требованиями к свойствам материалов, обусловленными возрастающей интенсивностью нагружения машин при одновременной тенденции к уменьшению их массы, является повышение эксплуатационной надежности и долговечности промышленных изделий, повышение эффективности машин и оборудования.

Качество, эксплуатационная надежность промышленных изделий - машин, механизмов, приборов и пр. - находится в непосредственной зависимости от соответствующих свойств деталей и сборочных единиц. Указанные свойства последних связаны, в свою очередь, прежде всего со свойствами их конструкционных материалов. Статическая и динамическая прочность, сопротивление хрупкому разрушению, задиро- и износостойкость, сопротивление усталостному разрушению, физические, коррозионные и прочие свойства материалов принадлежат к числу основных факторов, определяющих надежность и долговечность машин.

Проблема долговечности может решаться не только повышением легирующих элементов в материале деталей, но и технологическими методами, обеспечивающими направленное изменение физико-механических и других свойств поверхностного слоя деталей при наименьших материальных и энергетических затратах.

Анализ публикаций

Наиболее простыми методами улучшения эксплуатационных свойств машин, получившими в последнее время широкое распространение, являются отделочно-упрочняющие методы поверхностного пластического деформирования (ППД).

Преимущества ППД показаны в исследовании Е.Г. Коновалова, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, И.И. Муханова, А. А. Пап-шева, М.М. Заверина и других отечественных и зарубежных ученых.

Впервые метод ППД с использованием ультразвукового инструмента был предложен в 1964 году И.И. Мухановым [1]. От обычного выглаживания метод ППД ультразвуковым инструментом отличается тем, что инструмент совершает колебания с ультразвуковой частотой. Амплитуда колебаний поляризова-

на в плоскости, перпендикулярной обрабатываемой поверхности детали. В процессе обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности с постоянной силой. Как и при обычном выглаживании, перемещение инструмента по поверхности осуществляется путем вращения детали со скоростью и перемещения его вдоль образующей со скоростью.

Постановка задачи

Показать преимущества ультразвукового упрочнения перед остальными видами ППД.

Описание ультразвукового упрочнения

Инструмент для упрочнения представляет собой ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя и волновода-концентратора, к торцу которого присоединяется деформирующий элемент (индентор). В процессе упрочняющей обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности (рис. 1).

Рис. 1. Схема поверхностного пластического деформирования при ультразвуковой упрочняющей обработке

Результаты применения ультразвукового ППД

Экспериментальные исследования показали [2], что в процессе обработки между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью возникает периодический контакт с частотой ультразвуковых колебаний. В момент контакта мгновенные напряжения существенно выше средних, что вызывает значительную пластическую деформацию. Также как и для других методов поверхностного деформирования (выглаживание, обкатывание, дорнование и др.), в результате

обработки уменьшается шероховатость поверхности (рис. 2).

Рис. 2. Профилограмма поверхности образцов из стали 45 до (а) и после (б) ультразвуковой обработки

Величина Яа, которая характеризует шероховатость поверхности, уменьшается с увеличением амплитуды колебаний или усилия прижима. Так, например, для стали 12Х18Н9Т при исходном значении Ла=25 мкм после ультразвукового упрочнения шероховатость составила 0,4 мкм. Одновременно в результате пластического деформирования увеличивается плотность дислокаций. В недеформированных металлах средняя плотность дислокаций составляет 106... 108 см-2. После обкатки роликом количество дислокаций увеличивается до 6-1010 см-2, а при ультразвуковой поверхностной обработке оно возрастает до 3-1011 см-2 [2]. С увеличением плотности дислокаций растет и твердость.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить механизм пластического деформирования при упрочняющей ультразвуковой обработке и связь степени упрочнения с основными параметрами режима, к которым относятся амплитуда - Е,т и усилие прижима - ¥п, радиус кривизны идентора и др. [2].

Характерным для упрочняющей ультразвуковой обработки, равно как и для любого вида обработки поверхностным пластическим деформированием, является создание сжимающих напряжений. Исследовался характер распределения напряжений первого и второго рода по глубине при разных значениях параметров режима (амплитуда и усилие прижима). Напряжения определялись путем рентгенографирования при послойном электролитическом травлении образцов. Резуль-

таты экспериментов для стали 18Х14НТ приведены на рис. 3.

Рис. 3. Изменение параметра решетки а (1; 2) и уширения линии (3; 4) по глубине деформированного слоя

Изменение параметра решетки а пропорционально сумме главных напряжений первого рода, а уширение линии в пропорционально величине напряжений второго рода, которые характеризуют величину микроискажений решетки. Анализ результатов подтверждает появление сжимающих напряжений при упрочняющей ультразвуковой обработке. Величина а на любой глубине меньше первоначального значения, которое на графике отмечено пунктиром.

Полученные данные показывают, что ультразвуковая обработка создает или значительно увеличивает остаточные напряжения как в продольном, так и в поперечном направлениях. Это является благоприятным фактором, так как препятствует зарождению и развитию трещин.

Пластическая деформация поверхности, снижение шероховатости, появление сжимающих остаточных напряжений приводят к увеличению износостойкости материала. Для оценки износостойкости использовалась машина трения. Испытания проводились по схеме «вал - втулка». Показано, что упрочняющая ультразвуковая обработка почти в 2 раза повышает износостойкость образцов. На стали 45 была проведена сравнительная оценка показателей качества поверхностного слоя, полученная в результате использования традиционного метода (обкатывание шаром) и ультразвукового.

щие показатели: средняя высота неровностей - Яа, относительная длина опорного профиля = ¿р, твердость или микротвердость Н, остаточные напряжения I рода - с1, остаточные напряжения II рода - с11.

Исследования показали, что существует корреляция между приведенными основными показателями: износостойкостью и усталостной прочностью [2]. При оптимизации режима обработки в качестве параметра в зависимости от поставленной задачи выбиралась средняя высота неровностей - Яа или твердость - Н.

Основными параметрами режима являются: усилие прижима, амплитуда колебаний, скорость перемещения инструмента, подача, радиус кривизны индентора. С использованием методов математического планирования были получены уравнения регрессии для обрабатываемых материалов. Выбранная математическая модель описывается уравнением второго порядка

т = А + ад + 14Х2 + ълг]х1х],

где Т - параметр оптимизации, Х1 или Х}- - параметры режима.

Вывод

Проведенные экспериментальные исследования позволили наглядно доказать преимущества ультразвукового способа перед традиционными видами упрочнения.

Литература

1. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. - 1966. - №11. -

С.52 - 53.

2. Приходько В.М. и др. Технологическое

применение ультразвука в транспортном машиностроении - М.: Издательство «Техполиграфцентр», 2007. - 112 с.

Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Основными характеристиками состояния поверхностного слоя детали являются следую-

Статья поступила в редакцию 17 июля 2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.