CC BY
84
УДК 621. 9. 048. 6
В.И. Бутенко, Д.И. Диденко, Т. А. Рыбинская, А. Д. Захарченко
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МНОГОКОНТАКТНЫМ ВИБРОУДАРНЫМ
ИНСТРУМЕНТОМ
В современной металлообработке всё большую значимость приобретают методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей, среди которых важное место занимает обработка многоконтактным виброударным инструментом [1], характерным представителем которого можно назвать обработку шарико-стержневым упрочнителем (ШСУ). Использование подобных многоинденторных систем (МИС) позволяет наносить регулярный микрорельеф (РМР) на поверхность деталей практически любой формы [2], а гибкая связь между источником ударных импульсов и рабочими инденторами, осуществляемая через уплотненную среду стальных шаров, позволяет обрабатывать поверхности любого кривизны без подналадки инструмента.
При обработке деталей МИС можно обеспечить на поверхности достаточно широкий диапазон пластических контактов, формирующих регулярный пластический след. Площадки контакта могут быть пересекающимися или непересекающимися, а интенсивность перекрытия площадок контакта может изменяться в широких пределах. Смещение площадок контакта может быть как регулярным односторонним, так и регулярно двухсторонним, что существенно расширяет возможности отделочно-упрочняющей обработки деталей многоконтактным виброударным инструментом. Однако при формировании на поверхности детали из высокопластичного материала (например, бронзы Бр.ОФ7-0,2) отпечатка вокруг углубления образуется валик из некоторой части вытесненного материала. При металлографическом анализе материала валика отмечаются на его поверхности следы интенсивной пластической деформации, приводящей к выходу на поверхность множества линий скольжения и характерных складок [2]. Образующийся валик играет отрицательную роль в эксплуатационных характеристиках обработанной детали, так как представляет собой материал с нарушенной сплошностью [3].
Весьма эффективным являются схемы обработки деталей МИС, в которых осуществляется наложение одного регулярного микрорельефа на другой (возможно многократное наложение). В результате могут быть образованы «вторичные» РМР, в которых первый микрорельеф не устраняется полностью, а служит основой или базой для второго модулирующего РМР. Такая обработка может быть применена для упрочнения тонкого поверхностного слоя деталей с целью полного устранения или снижения подслойного максимума технологических остаточных напряжений.
Взаимное расположение лунок на обрабатываемой поверхности зависит от взаимного расположения стержней в пучке и закона перемещения пучка
стержней относительно поверхности. В существующих конструкциях ШСУ с целью упрощения применяется один тип упаковки стержней - плотная гексагональная упаковка [1]. Следовательно, взаимное расположение стержней в ШСУ зависит только от их диаметров, которые из-за потери устойчивости не должны быть меньше 2 мм. Тогда, учитывая, что максимальный диаметр шаров ограничен диаметром используемых стержней, диаметр шаров должен быть меньше диаметра стержней. Этот факт сдерживает получение на поверхности детали эффективных «вторичных» РМР.
Для устранения большинства перечисленных недостатков обработки поверхностей деталей МИС разработана конструкция ШСУ, схема упрочняющей обработки которой представлена на рис. 1 (а), а его
деформирующий элемент на рис. 1 (б).
Предлагаемое устройство для поверхностной отделочно-упрочняющей обработки содержит корпус 1 с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней 2 и регулируемый нажимной механизм в виде плунжера 3, распределительный элемент в виде слоя шариков 4, расположенный между плунжером 3 и торцом цилиндрических стержней 2, а деформирующие элементы выполнены в виде стержней 2 с бойковой и контактной деформирующей частью. Последняя представляет собой цилиндрическую полость, в которую вмонтирована вставка 5 из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов 6 малого диаметра. В рабочем состоянии стержни прижаты к обрабатываемой поверхности детали. Такая конструкция ШСУ обеспечивает возможность за один проход осуществлять наложение одного регулярного рельефа на другой с возможностью применения оптимальных по размеру стержней из условий степени их гибкости и использовать контактную деформирующую часть с инденторами малого диаметра, обусловленного конфигурацией
обрабатываемой поверхности детали. Получаемая при этом система отпечатков и образуемый ею микрорельеф могут быть одинаково распределенными на любом участке поверхности, т.е. будут регулярными. В этом случае параметры микрорельефа повторяются с определенным шагом, а применение вставок 5 с различной конфигурацией расположения инденторов 6 и их сечения делает возможным технологически просто образовывать «вторичные» регулярные микрорельефы за один проход инструмента. Одновременно создается возможность за счет выполнения контактной деформирующей части стержней
2 в виде цилиндрической полости, в которой вмонтирована вставка 5 из упругого материала с закрепленным в ней пучком иденторов 6 малого диаметра, уменьшить длину инденторов 6 с диаметрами меньше 2-х мм. Использование предлагаемой конструкции ШСУ позволяет обеспечить достаточно высокую однородность всех геометрических параметров формируемого поверхностного слоя детали, функционально связанных с конструктивными параметрами используемой многоинденторной системы и режимами обработки. Выполнены исследования способности ШСУ к созданию стабильного состояния материала упрочненного слоя обработанной поверхности детали во времени. Обработке подвергались разнопрофильные
образцы из алюминиевого сплава Д16чТ и бронзы Бр.ОФ-8,0-0,3 в среде стальных шаров 0 6-8 мм при амплитуде и частоте колебаний соответственно А = 35 мм, V = 33 Гц. Измерение микротвердости осуществлялось на микротвердометре ПМТ-3 при нагрузке на индентор Р = 0,2 Н. Определялась поверхностная микротвердость материала Ну и ее изменение по „косому срезу” (угол среза 1о 30'). Замеры микротвердости Ну производились сразу же после обработки ШСУ, а затем по истечении 5 и 15 суток выдержки. Определялись средние значения микротвердости Ну по результатам 50 последовательно проведенных замеров.
т н чЧЧччч м
Г ТТЛ У =*= \\kX7
3 4 1 2
а
5 6
Рис. 1. Устройство для поверхностной отделочно-упрочняющей обработки (а), деформирующий элемент (б)
Результаты исследований приведены на рис. 2, из которого видно, что характер изменения микротвердости Ну по толщине поверхностного слоя АН от времени выдержки у алюминиевого сплава Д16чТ (рис. 2, а) отличается от характера изменения Ну по толщине АН у бронзы Бр.ОФ-8,0-0,3 (рис. 2, б). Однако существует общая тенденция к некоторому снижению микротвердости Ну от времени выдержки при непрерывном ее снижении по толщине упрочненного слоя АН.
Использование предлагаемой конструкции бойковой части инструмента позволяет производить предварительное нормирование параметров получаемого на поверхности детали регулярного микрорельефа: число
выступов и впадин на единицу площади поверхности, длину профиля, радиус выступов и впадин и т. д. При этом число элементов на единицу площади обработанной поверхности детали также является управляемым параметром и определяется конструктивными характеристиками инструмента.
Исследования различных материалов пар трения, на установках для испытания материалов на истирание и прочность [4] показали, что создание при помощи разработанного ШСУ на поверхностях деталей пар трения РМР позволяет сократить время приработки сопряженных деталей и повысить их износостойкость. На рис. 3 приведены сравнительные гистограммы
изнашивания различных пар трения, полученные по результатам 10
последовательно приведенных экспериментов при одних и тех же условиях трения: скорость скольжения УСК = 0,5 м/с; давление в зоне контакта р = 1,5 МПа; смазка - масло индустриальное И-20А ГОСТ 20799-88; время непрерывной работы т =12 час. Было установлено, что создание на поверхности образцов РМР приводит не только к уменьшению их изнашивания, но и существенно снижает износ контртела.
а
Рис. 2. Графики изменения микротвердости материала поверхностного слоя Ну по глубине упрочненного слоя АН - после обработки ШСУ: а - Д16чТ; б - Бр. ОФ-8,0-0,3
Дополнительными исследованиями было установлено. что упрочнение поверхностного слоя по разработанной схеме с созданием РМР при помощи предлагаемой конструкции ШСУ на изделиях из бронз способствует более эффективной защите их от атмосферного воздействия, что, по-видимому, объясняется закрытием в поверхностном слое макропор. В результате повышается коррозионная стойкость декоративно-художественных изделий и их сопротивляемость корозионно-активным средам.
Кроме этого известно, что виброударные способы наклепа влияют существенно на качество поверхностного слоя зубчатых колес, элементов заклепочных и болтовых соединений, что существенно снижает из усталостную повреждаемость. До (75...80)% усталостных разрушений начинается в местах
соединения элементов авиационных конструкций, в связи с чем становится актуальным вопрос применения упрочняющей технологии по разработанной схеме.
Рассматриваемый алюминиевый сплав Д16ЧТ обладает стабильными свойствами, хорошо противостоит усталостным разрушениям и широко применяется в новых конструкциях высокоресурсных заклепочных соединений.
Технологические факторы, определяющие часто высокий ресурс соединения, предусматривают хорошую точность выполнения отверстий под болты и заклепки, качество поверхностного слоя отверстий, что достигается упрочняющей технологией.
и,
мг 28
24
20
16
12 8 4
Рис. 3.Гистограммы изнашивания материалов различных пар трения без РМР □ и с РМРИ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бабичев А.П., Мотренко П. Д. и др. Отделочно-упрочняющая обработка
деталей многоконтактным виброударным инструментом. - Ростов н/Д:
Издательский центр ДГТУ, 2003. - 192 с.
2. Шевцов С.Н., Аксенов В.Н., Бабичев И.А. Регуляризация микрорельефа поверхностей трения многоконтактным виброударным инструментом // Вестник ДГТУ. Сер. Трение и износ. - Ростов н/Д: ДгТу, 2000.- С. 83 - 87.
3. Демкин Н.Б. Анализ структуры упругопластического контакта шероховатых поверхностей. В кн.: Контактное взаимодействие твердых тел: Сборник статей. - Тверь, 1991. - С. 4 - 12.
4. Бутенко В.И. Износ деталей трибосистем. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. - 236 с.
