CC BY
0д.т.н. Рябичева Л. А.
(ЛГУ им. В. Даля, г. Луганск, ЛНР, ryabic@gmail.com),
к.тн. Коробко Т. Б.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР, korobko.tamara@rambler.ru),
Королько В. В.
(ЛГУ им. В. Даля, г. Луганск, ЛНР)
ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ПРИ СВОБОДНОМ ДОРНОВАНИИ ОТВЕРСТИЙ ПОРОШКОВОЙ ЗАГОТОВКИ
В статье представлено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния при свободном дорновании порошковой пористой заготовки. Показано его влияние на структурообразование и твердость. Получено, что наибольшая интенсивность напряжений наблюдается в очаге деформации при меньшей исходной пористости порошковой заготовки. Микротвердость и толщина упрочненного слоя зависят от пористости и относительной толщины, от степени толстостенности и относительного натяга.
Ключевые слова: свободное дорнование, интенсивность напряжений, гидростатическое давление, структурообразование, микротвердость.
УДК 621.983
В настоящее время в машиностроении имеется большое количество разнообразных деталей, к которым предъявляются высокие требования по точности изготовления и высокой твердости рабочего поверхностного слоя. Типичными и наиболее массовыми представителями данных деталей являются детали типа тел вращения: втулки, кольца, фланцы и т. д. К наиболее эффективным методам улучшения качества деталей относятся способы поверхностного пластического деформирования, в частности дорнование [1]. Дорнование обладает способностью к формированию инструментом упрочненного поверхностного слоя в обрабатываемой заготовке со специфическим расположением волокон металла, за счет которого долговечность этой детали возрастает в 1,5-2 раза. Точность деталей и качество их поверхностного слоя обеспечиваются распределением остаточных деформаций и напряжений.
Процессам дорнования отверстий свойственны многие характерные признаки холодной обработки металлов давлением: упрочнение металла при его пластическом деформировании, изменение линейных
размеров обрабатываемых заготовок, трение и высокие давления на контактных поверхностях и др. [2].
Свободное дорнование характеризуется осесимметричным напряженным состоянием, при котором напряжения, действующие в плоскостях, перпендикулярных направлениям течения металла, являются главными. Поэтому компоненты всех касательных напряжений равны нулю. При дорновании возникают три составляющие деформации, из которых две могут быть положительными (отрицательными), а одна отрицательной (положительной) [3].
В подавляющем большинстве работ по проблемам дорнования исследовали дорно-вание отверстий в деталях из компактных сталей [4, 5]. В машиностроении нашли широкое применение детали из цветных металлов и сплавов на их основе, полученные операциями порошковой металлургии, — подшипники скольжения, втулки, ролики, при работе которых необходима высокая прочность внутренней поверхности отверстий. В направлении увеличения плотности порошковых деталей выполнена работа авторов [6], в которой рассматрива-
ется распределение плотности и накопленной деформации порошковых прессовок в различные моменты деформирования.
Поэтому актуальным является исследование напряженно-деформированного состояния и уплотнение порошковых заготовок.
Медь и ее сплавы являются распространенными материалами для изготовления деталей приборов, деталей электротехнического назначения из порошковых материалов. Медь имеет низкую прочность и высокую пластичность, поэтому представляет интерес разработать методы повышения прочности деталей из порошковой меди дорнованием.
Целью работы является компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния при свободном дорнования отверстий в заготовках из порошковой меди и его влияние на структурообразование и твердость.
Объект исследования — технологический процесс свободного дорнования порошковых пористых заготовок.
Предмет исследования — напряженно-деформированное состояние, структурооб-разование, твердость при свободном дор-новании порошковых пористых заготовок.
Задачи исследования.
- компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния при свободном дорновании порошковых пористых заготовок;
- анализ интенсивности напряжений и гидростатического давления и их влияние на уплотнение;
- исследование структурообразования на внутренних и внешних слоях порошковой пористой заготовки при свободном дорновании;
- исследование твердости по Бринеллю и микротвердости на внутренних и внешних слоях порошковой пористой заготовки при свободном дорновании.
Рассматривали свободное дорнование отверстия в детали по схеме сжатия. Деталь имела размеры. исходный внутренний диаметр d0 = 9,8 мм, наружный диаметр
D0 = 28 мм, высота H = 20 мм. Материал — медь с исходной пористостью 6, 15 и 24 %.
Параметры дорна: дорн однозубый, диаметр по ленточке d = 10 мм; ленточка шириной b = 1 мм; угол заборного конуса а=4°; угол обратного конуса а1 = 4°; в месте перехода конической части дорна в цилиндрическую кромка скруглена до R = 0,2 мм. Натяг дорнования принимался равным i = 0,2 мм. Скорость дорнования v=2 мм/с. При моделировании дорн и опора считались абсолютно жесткими объектами.
При дорновании напряжения на контактной поверхности заборного конуса дорна и детали обычно превышают величину напряжения текучести материала втулки as или соизмеримы с ним. Поэтому для описания трения в таких условиях процесса использовали формулу Зибеля — Tf = mas, где m — фактор трения; для
процессов холодной деформации при наличии смазки следует принять m = 0,08.
Моделирование выполняли в пакете инженерного анализа Deform 10.2, в котором используется метод конечных элементов. Данный пакет позволяет моделировать деформирование спеченных металлов с пористостью до 30 %, при этом плотность материала рассчитывается и обновляется в процессе моделирования. Кривые упрочнения пористого материала рассчитываются на основе кривых упрочнения материала основы с учетом текущей пористости.
На рисунке 1 показана картина распределения интенсивности напряжений в стенке полой детали с различной исходной пористостью материала при свободном дорновании. На рисунке 2 представлены профили интенсивности напряжений в поперечном сечении очага деформации полой детали при различной исходной пористости материала.
Как видно из рисунка 1, наибольшая интенсивность напряжений 220 МПа наблюдается в очаге деформации при исходной пористости 6 %. С ростом пористости материала величина интенсивности на-
Металлургия и материаловедение
пряжений уменьшается и при 24 % составляет 145 МПа. Наибольшая величина очага деформации, в котором происходит и уплотнение материала, также наблюдается в материале при пористости 6 %.
Ход кривых интенсивности напряжений в очаге деформации при данных значениях пористости материала одинаков (рис. 2, а). При этом профили отличаются размерами очага деформации. Если при пористости 6 % длина очага деформации составляет 1,8 мм, то при пористости 15 % она равна 1,4 мм, а при 24 % — 1 мм. Такое изменение размера очага деформации свидетельствует о том, что именно при больших значениях исходной пористости в начальный период дорно-вания происходит структурная деформация.
Интенсивность напряжений по величине наибольшая у полой детали с исходной пористостью 6 % (рис. 2, а). Отсюда следует, что сила при дорновании полого цилиндра из материала с меньшей пористостью затрачивается на преодоление сопротивления деформированию твердой фазы, а с большей пористостью — на выполнение структурной деформации.
Гидростатическое давление характеризует изменение объема материала заготовки, что очень важно для пористых материалов, для которых не соблюдается закон
постоянства объема, а соблюдается закон постоянства массы. Величина гидростатического давления дает возможность проследить трансформацию очага деформации в очаг уплотнения [6].
Как видно из рисунка 2, б, для всех исследуемых случаев происходит рост гидростатического давления до некоторого увеличения очага деформации, который в данном случае трансформируется в очаг уплотнения. При этом гидростатическое сжатие обеспечивает уплотнение материала.
В стенке полой заготовки с начальной пористостью 6 % длина очага уплотнения достигает 3,8 мм вследствие того, что за пределами геометрического очага уплотнения взаимные перемещения и относительное течение частиц металла пренебрежимо малы. Движение внешней границы очага представляет собой движение точек твердого тела; векторы скорости всех точек движущейся зоны в любой момент времени равны по величине и направлению. На расстоянии более 3,8 мм возникают растягивающие напряжения, препятствующие уплотнению материала. Для по-ристостей 15 и 24 % длина очага уплотнения составляет 2 и 1,8 мм соответственно, что и объясняет низкую величину относительной плотности материала.
Stress - Effective (МРа] Stress - Effective (МРа) Stress - Effective (MPa)
а б в
Рисунок 1 Распределение интенсивности напряжений в стенке полого цилиндра с разной исходной пористостью (а — 6 %; б — 15 %; в — 24 %)
Металлургия и материаловедение
1 — 6 %; 2 — 15 %; 3 — 24 %
Рисунок 2 Профили интенсивности напряжений (а) и гидростатического давления (б) в очаге деформации при различной исходной пористости материала
При дорновании полой заготовки с исходной пористостью 6 % создаются более высокие сжимающие напряжения вследствие пластической деформации твердой фазы. У полых заготовок с большей исходной пористостью эти величины меньше, что и объясняет невозможность получения высокой плотности материала при дорновании.
В результате свободного дорнования пористых полых заготовок состояние их внутренней поверхности изменилось: она стала более качественной с менее заметной пористостью, образовалась своего рода плотная металлическая «рубашка» при оставшемся пористом наружном слое. На рисунках 3-5 представлена микроструктура пластически деформированных внутреннего и наружного слоёв заготовки образца после дорнования. Съемки выполняли на оптическом микроскопе МИМ-8 и на растровом электронном микроскопе РЭММА-102.
Микроструктуру изучали на образцах, полученных дорнованием пористых заготовок с исходной пористостью 15 %, с относительным натягом ¡М0 = 0,02 дорном с d = 10 мм, углом заборного конуса а = 4°. Шлифы вырезали по внутренней и внешней поверхностям заготовки вдоль вертикальной оси.
Исходные структуры пористых образцов после спекания при 900-920 °С в среде генераторного газа характеризуются нали-
чием зерен меди и пор. На рисунке 3, а показана микроструктура медных образцов после спекания при увеличении 500. Наблюдается значительная разнозернистость, видны поры. Появление разнозернистости связано с неравномерным развитием статической рекристаллизации при спекании вследствие неоднородного напряженного состояния, которое создается при прессовании исходного полого образца [6, 9]. На рисунке 3, б показана микроструктура при увеличении 4000. Видны практически бездефектные границы зерен разной величины. После спекания средняя величина зерна меди равна 31-32 мкм. Средняя твердость по Бринеллю составила НВ 58.
В результате дорнования во внешних слоях полой заготовки микроструктура металла претерпевает незначительные изменения, что связано с наличием некоторого гидростатического сжатия и дробления зерна за счет локального повышения внутренних напряжений (рис. 4).
На рисунке 4, а показана микроструктура внешнего слоя при увеличении 500. Следует отметить дробность зерна вследствие незначительной пластической деформации внешних слоев. Заметно искажение формы зерна, большая его дробность и наличие пор (рис. 4, б). Средняя величина зерна составила 15-18 мкм. Средняя твердость по Бринеллю составила НВ 92.
Металлургия и материаловедение
Рисунок 3 Микроструктура внутренней поверхности полого образца пористостью 15 % после спекания при увеличении: а — >500; б — >4000
Рисунок 4 Микроструктура внешних слоев полой заготовки после дорнования при увеличении:
а — ><500; б — х4000
Рисунок 5 Микроструктура внутреннего слоя полой заготовки после дорнования при увеличении: а — >500; б — >5000
Для внутреннего слоя образца после дор-нования характерна вытянутость зерен в направлении перемещения дорна, обеспечивающего осевое течение металла (рис. 5, а). При большем увеличении видно размытие зерен вследствие большой степени деформации и отсутствие пор (рис. 5, б). Средняя величина зерна составила 7-9 мкм. Средняя твердость по Бринеллю составила НВ 105.
Деформационное упрочнение материала изучали методом измерения микротвердости на образцах, полученных дорнованием пористых заготовок с исходной пористостью 6, 15, 24 %, с относительным натягом Ш0 = 0,02 дорном с d = 10 мм, углом заборного конуса а = 4°. На первом этапе микротвердость определяли непосредственно после дорнования отверстия, на втором — после отжига по режиму: нагрев до температуры 500-550 °С, выдержка, охлаждение на воздухе.
На рисунке 6, а показана зависимость микротвердости по поверхности обработанных дорнованием отверстий = 9,8 мм) при различной исходной пористости образцов. Каждая точка на графиках представляет собой среднее арифметическое не менее десяти измерений. Анализ этих зависимостей позволяет констатировать следующее.
С увеличением пористости образцов величина микротвердости уменьшается. Причиной является наличие остаточной пористости. При этом упрочнение охватывает толщину поверхностного слоя в пределах 1,6 мм для пористости 24 % и 2 мм для пористости 6 %.
На рисунке 6, б показана зависимость микротвердости по поверхности обработанных дорнованием отверстий при различной степени толстостенности D0/d0 1,63; 2,24; 2,86. С повышением степени толстостенно-сти наблюдается увеличение микротвердости упрочненного слоя, что связано с ростом контактных давлений и гидростатического сжатия в этих слоях образцов.
Исследовали зависимость микротвердости образцов из порошковой меди с исходной пористостью 15 %, длиной заго-
товки L0 = 20 мм, наружным диаметром D0 = 28 мм. Относительный натяг составлял, i/do, %: 2,0; 5,3; 8,7.
я
700 600 500
400
300 200
012345678
-V, мм
а
Я . МПа
700
600 500 400
300 200
012345678
Л", мм
б
Я, МПа
Л", мм
в
Рисунок 6 Зависимость микротвердости по поверхности обработанных дорнованием отверстий при: а — различной исходной пористости образцов (1 — 6 %; 2 — 15 %; 3 — 24 %); б — различной степени толстостенности (1 — 1,63; 2 — 2,24; 3 — 2,86); в — различной величине относительного натяга (1 — 2,0 %; 2 — 5,3 %; 3 — 8,7 %)
МПа
д
2
3
На рисунке 6, в показана зависимость микротвердости по поверхности обработанных дорнованием отверстий при различной величине относительного натяга 0,02; 0,053; 0,087. С повышением относительного натяга наблюдается увеличение микротвердости упрочненного слоя и его толщина, что связано с ростом объема металла, участвующего в пластической деформации.
Отжиг влияет на микроструктуру. Он приводит к незначительному увеличению зерна как в наружных слоях, так и во внутренних слоях отверстия. В результате твердость по Бринеллю и микротвердость несколько уменьшаются. Твердость по Бринеллю на внутренних слоях отверстия составила в среднем НВ 92-98, на внешних слоях образца — НВ 83-85.
Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Компьютерным моделированием показано, что наибольшая интенсивность напряжений наблюдается в очаге деформации при исходной пористости порошковой заготовки, равной 6 %. С ростом пористости материала величина интенсивности напряжений уменьшается. Наибольшая величина очага деформации, в котором происходит и
Библиографический список
уплотнение материала, также наблюдается в материале при пористости 6 %.
2. При всех значениях пористости порошковых заготовок наблюдается рост гидростатического сжатия до некоторого увеличения очага деформации, который трансформируется в очаг уплотнения, что и обеспечивает уплотнение материала.
3. Установлено, что неравномерность напряженно-деформированного состояния влияет на структурообразование при свободном дорновании порошковой медной заготовки. Во внутреннем поверхностном слое полой заготовки величина зерна минимальна, во внешнем слое величина зерна больше.
4. Получено, что микротвердость и толщина упрочненного слоя зависит от пористости и относительной толщины, от степени толстостенности и относительного натяга. С увеличением исходной пористости образцов уменьшаются величина микротвердости и толщина упрочненного слоя. С повышением степени толстостен-ности наблюдается увеличение микротвердости и толщины упрочненного слоя. С повышением относительного натяга наблюдается увеличение микротвердости упрочненного слоя и его толщина.
1. Проскуряков, Ю. Г. Дорнование отверстий [Текст] / Ю. Г. Проскуряков. — М. : Машгиз, 1961. — 190 с.
2. Скворцов, В. Ф. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра [Текст] / В. Ф. Скворцов, А. Ю. Арляпов. — Томск : ТПУ, 2005. — 92 с.
3. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием [Текст] : справочник /Л. Г. Одинцов. — М. : Машиностроение, 1987. — 328 с.
4. Воронцов, А. Л. Исследование процесса дорнования отверстий [Текст] / А. Л. Воронцов // Кузнечно-штамповочное производство. — 2010. — № 10. — С. 3-8.
5. Алешин, А. В. Исследование характера течения металла при установке втулки в корпус с торцевым уплотнением методом дорнования [Текст] / А. В. Алешин, А. М. Роговой, В. А. Хоменко // Ползуновский вестник. — 2002. — № 1. — С. 159-163.
6. Эволюция распределения плотности, накопленной деформации и топологических особенностей порошковых цилиндрических заготовок в условиях деформирующего протягивания [Текст] / О. А. Розенберг, Е. А. Пащенко, А. П. Майданюк [и др.] // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 2. — С. 81-91.
© Рябичева Л. А.
© Коробко Т. Б.
© Королько В. В.
Металлургия и материаловедение
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. ПиХЛЛГУ им. В. Даля Гутько Ю. И.,
к.т.н., доц., зав. каф. ОМДМ ДонГТИДенищенко П. Н.
Статья поступила в редакцию 29.09.2022.
Doctor of Technical Sciences Riabicheva L. A. (LSUnamed after V. Dahl, Lugamsk, LPR, ryabic@gmail.com), PhD in Engineering Korobko T. B. (DonSTI, Alchevsk, LPR, korobko.tamara@rambler.ru), Korolko V. V. (LSU named after V. Dahl, Lugansk, LPR) INFLUENCE OF THE STRESS-STRAIN STATE ON STRUCTURE FORMATION AND PROPERTIES DURING FREE MANDRELLING OF POWDERED BLANK HOLES
The article presents a computer simulation of the stress-strain state during free mandrelling of a powdered porous blank. Its influence on structure formation and hardness is shown. It is found that the greatest intensity of stresses is observed in the deformation focus at a lower initial porosity of the powdered blank. The microhardness and thickness of the hardened layer depends on the porosity and relative thickness, on the degree of thick-walled and relative tension.
Key words: free mandrelling, stress intensity, hydrostatic pressure, structural formation, microhardness.
