CC BY
24
УДК 621.9.048.6
Кирил1в Я.Б., к.т.н., старший науковий ствробггник (vndr1@ubgd.lviv.ua) © Лъвгвсъкии державнийутверситет безпеки життед1ялъност1
ВПЛИВ ПАРАМЕТР1В В1БРАЦ1ЙНО-В1ДЦЕНТРОВОГО ЗМ1ЦНЕННЯ НА ГЛИБИНУ ТА М1КРОТВЕРД1СТБ
В cmammi проанал1зовано методы поверхневого пластичного деформування. Одним гз наиефектившших Memodie поверхневого пластичного деформування е в1брацтно-в1дцентрове змгцнення. В1брацшно-в1дцентрове зм1цнення завдяки регулюванню технолог1чних napaMempie в широких межах, таких як ексцентриситет, амплтуда коливанъ, маса робочого тструменту, тривал1стъ оброблення, дозволяе досягти високих значенъ Mrnpomeepdocmi та глибини змгцнення. Встановлено стутнъ наклепу для сталей 35 та 40Х. Отримат значения Mrnpomeepdocmi, глибини змщнення та ступеня наклепу даютъ nidcmaeu для отримання високих експлуатацтних властивостеи.
Ключое1 слова: поверхневе пластичне деформування, в1брацтно-в1дцентрове змщнення, мжротвердгстъ, тривалгстъ обробки, глибина змщнення, ексцентриситет, амплтуда, стутнъ наклепу.
Одним ¿з найважливших завдань сучасного машинобудування е тдвищення якосп, надшносп i довгов1чносп машин та вироб1в. Перспективним напрямком у забезпеченш цих показниюв е освоения прогресивних ресурсозбер1гаючих технолопчних процеЫв, яю дозволяють виготовляти детал1 з найменшою соб1вартктю i найбшьшою продуктившстю.
Серед безл1ч1 cnocoöiB пщвищення надшност1 деталей особливе мкце займають методи поверхневого змщнення. Вщомо, що надшшсть безпосередньо иов'язана з якктю поверхневого шару деталей, який характеризуеться геометричними (шорстюсть, хвилясткть, макровщхилення) i ф1зико-мехашчними (мжротвердють та ¿и.) параметрами. Вщ якост1 поверхневого шару залежать так1 експлуатацшш властивост1 як onip btomI, зносостшюсть, корозшна стшюсть, onip контактнш втом1 та ¿и., яю формуються в процеЫ обробки деталей. Це означав, що критер1ем оцшки якост1 кожно! детал1 зараз е не тшьки точшсть витриманого розм1ру i шорсткост1 поверхн1, але i ф1зико-мехашчш властивост1 поверхневого шару: залишкова напруга, наклеп, що характеризуеться ступенем i глибиною, рельеф мжрогеометри. Bei щ параметри поверхневого шару мають в бшьшост1 випадк1в переважаюче значения в забезпеченш надшност1 працездатност1 детал1 i всього виробу в цшому.
Серед широко1 гами cnocoöiB викшчувально! обробки одними з найбшьш перспективних е методи поверхневого пластичного деформування (ППД). Сутшсть ППД полягае в тому, що необхщш розм1ри i якють поверхонь деталей досягаеться не зр1занням матер1алу, а його пластичним деформуванням. У
© Кирил1вЯ.Б., 2013
67
процеа ППД одночасно з обробкою поверхш детал1 проводиться И змщнення, I як наслщок значно полшшуються експлуатацшш властивост1 детал1, пщвищуеться !х працездатшсть. Застосування ППД дозволяе ефективно впливати на пщвищення довгов1чносп деталей, що працюють в умовах знакозмшних навантажень, тертя I впливу корозшних середовищ. У багатьох випадках застосуванням ППД вдаеться пщвищити працездатшсть деталей, що працюють при змшних навантаженнях в 1,5-3 рази, збшьшити термш служби в десятки раз1в.
В даний час проблему пщвищення довгов1чност1 вироб1в виршують створенням I застосуванням високомщних матер1ал1в I сплав1в, покращенням конструкци машин або окремих вузл1в, а також вдосконаленням технолопчних процеав виготовлення I змщнення деталей. Широкого розповсюдження набули технолог!! поверхневого змщнення. До них вщносяться лазерна, електроерозшна, плазмова, механо1мпульсна обробка I ряд шших вид1в обробки. Останшм часом широке застосування в практищ поверхневого змщнення деталей знаходить поверхнево-пластичне деформування в1брацшно-вщцентровим змщненням (ВВЗ). [1].
ВВЗ завдяки високому р1вню прикладувано! енерги деформування (до 75 -100 Дж), забезпечуе високу ефектившсть змщнення. Суть методу ВВЗ полягае у наданш детал1 в1брацшних коливань певно! амплпуди та частота по якш перемщуеться шструмент - обкатник ¿з встановленими в ньому по внутршньому д1аметру деформ1вними елементами, кульками, з певною повздовжньою подачею вщносно И ос1, здшснюючи штенсивне поверхнево-пластичне деформування приповерхневих шар1в детал1 значних ступешв.
В технолопчних процесах змщнення важконавантажених деталей пар тертя поверхневим пластичним деформуванням значна увага придшяеться встановленню необхщного часу оброблення, який ткно пов'язаний з продуктившстю. При заниженому технолопчному час1 змщнення на оброблених поверхнях не забезпечуеться необхщна для пщвищення зносостшкост1 поверхнева мжротвердють та товщина змщненого шару. Надм1ру збшьшений технолопчний час змщнювального оброблення приводить до перенаклепу оброблених поверхонь, що супроводжуеться лущениям верхшх шар1в поверхш детал1, збшьшуе шорстюсть оброблено! поверхш, сприяе зародженню мжротрщин I р1зкому попршенню ф1зико-мехашчних властивостей приповерхневого шару. В обох випадках через низью ф1зико-мехашчш властивост1 приповерхневого шару оброблювано! детал1 не досягаеться необхщна ефектившсть вщ змщнення робочих поверхонь.
Загалом перенаклеп не тшьки попршуе шорстюсть та точшсть поверхш, але й ф1зико-мехашчш властивост1 приповерхневого шару.
При змщненш поверхонь деталей на оптимальний час оброблення, тобто такий, при якому забезпечуються найкращ1 ф1зико-мехашчш властивост1 приповерхневого шару матер1алу детал1, впливають:
а) твердють матер1алу I вихщна шорстюсть оброблюваних поверхонь деталей;
68
б) частота, ампл1туда, ексцентриситет та маса обкатника, як таю, вщ яких залежить величина та швидюсть ударно! взаемоди обкатника з оброблюваною поверхнею;
в) форма 1 розм1ри оброблювано! поверхш, що пщлягае змщненню.
Мета роботи - дослщити вплив технолопчних параметр1в ВВЗ на
мжротвердють та визначити стутнь наклепу.
Матер1али 1 методи випробувань. У переважнш бшьшост! для виготовлення важконавантажених цилшдричних поверхонь деталей машин (робоч! колеса, штоки, вали, захисш втулки вал1в, зашрно-поворотш клапани) вибирають конструкцшш низьколеговаш та вуглецев! стал!, керуючись при цьому механообробними та ф!зико-мехашчними властивостями матер1алу. Тому дослщжували стал! 35 I 40Х. Для визначення мжротвердост! та глибини змщненого шару використовували м1кротвердом1р ПМТ - 3.
Дослщження впливу часу обробки на показники якост! приповерхневого шару матер1алу проводили на описанш рашше в!брацшнш машиш ЛВ - 1 ¿з використанням зразюв цил1ндрично! форми зовшшшм д1аметром 75 мм, внутршшм 60 мм та шириною 20 мм з1 сталей 35 I 40Х (рис. 1). Змщнення проводили ВВЗ за наступними режимами: ампл1туда коливань А = 5 мм; частота коливань/ = 24 Гц; маса робочого шструменту т = 3,5 кг; тривалють обробки х = 6, 12, 20, 28 та 36 хв; подача Б -2 мм/об; ексцентриситет 8=10 мм.
Рис. 1. Зразок н змщненою зовшшньою поверхнею ВВЗ
Оцшюючи вплив тривалост! оброблення на змщнення матер1алу зразюв, вим1рювали 1х мшротвердють теля ВВЗ на м1кротвердом1р1. Для однозначно! оцшки глибини зм!цнення прийнято м!н!мальне зб!льшення м!кротвердост! приповерхневих шар!в на 0,5 ГПа в пор!внянш з матричним матер!алом (аналог!чно робот! [2] рис. 2).
69
Шдстань <п<) поверхш, мм
Рис. 2. Визначення глибини змщненого шару теля ВВЗ по кривш змти
мжротвердосп
Результати дослщжень з р1зною тривалютю обробки показали (рис. 3), що мжротвердють I глибина приповерхневого змщненого шару змшюеться. Збшьшення тривалост1 змщнення приводить до зростання м1кротвердост1 приповерхневого шару. Для стал1 40Х це зростання спостер1гаеться в д1апазош вщ 6 до 28 хв обробки, для стал1 35 - вщ 6 до 12 хв. При цьому мшротвердють матер1алу збшьшуеться вщповщно вщ 5,1 до 7,2 ГПа та з 2,7 до 3,4 ГПа.
Проте, мшротвердшть зростае лише до певно! величини. Уже при тривалосп оброблення 36 хв для стал1 40Х [3] та 20 хв для стал1 35 спостер1гаеться перенаклеп, що характеризуемся суттевим падшням мкротвердост1 вщповщно до 4,2 та 2,5 ГПа (рис. 4).
Рис. 3. Мжротвердкть сталей 40Х (а) та 35 (б) теля ВВЗ: 1 - тривашеть обробки 6; 2 - 12; 3 - 20; 4 - 28; 5 - 36 хв.
70
Збшьшення тривалосп обробки приводить також до пщвищення глибини змщнення. Проте И зростаиия обмежуеться перенаклепом. Тому оптимальне значения глибини визначаеться оптимальним значениям мжротвердостг Змша тривалосп змщнення ¿з 6 до 28 хв для стал1 40Х та вщ 6 до 12 хв для стал1 35 глибинаоброблення вщповщно збшьшуеться з 3 до 5,3 мм таз 1,5 до 2,3 мм.
Отже, кнуе доцшьна межа тривалост1 оброблення, за яку не слщ переходити, оскшьки це призводить до руйнування приповерхневого шару оброблюваного матер1алу. За оптимального часу оброблення збшьшуеться мжротвердють, в пор1внянш ¿з вихщною, вщповщно для сталей 40Х та 35 в 3,2 та 1,3 рази.
Рис. 4. Залежшсть мжротвердосп ввд часу обробки для сталей 40Х (а) та 35 (б) на глибинах: 1 - 0,01; 2 - 0,5; 3 - 1,0; 4 - 1,5; 5 - 2,0; 6 - 2,5; 7 - 3,0 мм.
В результат! наклепу приповерхневого шару пщ час ВВЗ метал деформуеться. Пластична деформащя здшснюеться шляхом генерування та перемщення дислокацш. Пара рухомих дислокацш породжуе сотш нових, в результат! цього густина дислокацш пщвищуеться, що \ приводить до змщнення приповерхневого шару. Кристал1чна структура пластично деформованого металу характеризуеться не тшьки спотворенням кристал1чно! гратки, але I вщповщним ор1ентуванням зерен, текстурою [4].
При збшьшенш ступеня деформаци (тривалост1 наклепу) вщбуваеться збшьшення густини дислокацш, подр1бнення зерен I мжроспотворення проходить до визначено! межг Шсля чого м1ж зернами I всередиш металу утворюються пори I проходить так звана деструкщя, в нашому випадку лущения приповерхневого шару [3, 5, 6].
Ексцентриситет, з яким обкатник встановлюють на оброблювану поверхню, е одним ¿з важливих технолопчних параметр1в. Як вже вщзначалося в робот1 [5], оптимальним значениям ексцентриситету, з точки зору стабшьност1 обкочувального руху, е величина е = 2А, де А - ампл1туда коливань. Однак, твердження справедливе для незначних значень ступеня змщнення. Для яюсно! обробки важконавантажених деталей пар тертя потр1бш
га
2
0 6 12 18 24 30 36 X, ХВ
0 6 12 18 24 30 36 Т, ХВ
71
поеднання високого ступеня змщнення 13 значною товщиною зм1цненого шару, тобто обробка при пщвищених р1внях енерги деформування. Як у цьому випадку впливае ексцентриситет шструменту на показники якост1 змщнювально! обробки не дослщжено. Щоб з'ясувати це був проведений експеримент. Суть його полягае в тому, що зразки виготовляли з1 сталей 40Х та 35 ¿з р1зним зовшшшм д1аметром, а саме 70, 74, 78 та 82 мм при ампл1туд1 коливань А = 5 мм та вс1х шших незмшних розм1рах. Пот1м кожну партш зразюв обробляли обкатником з оптимальною масою 4,5 кг та оптимальною тривалктю обробки - т = 28 для стал1 40Х та х = 6 хв для стал1 35. Результати експерименту наведен! на рис. 5.
а)
11 12 Е , ММ
10
12 Е , ММ
б)
Рис. 5. Вплив ексцентриситету на глибину (а) 1 мжротвердкть (б) змщненого приповерхневого шару на сталях марок: 1 - 40Х; 2 - 35
6
7
8
9
10
6
7
8
9
11
Виявилось, що значения ексцентриситету, наближеш до залежност1 е = 2А, е близькими I до оптимуму стосовно поеднання найвищих значень поверхнево! м1кротвердост1 матер1алу та глибини його змщнення.
Одним ¿з основних параметр1в процесу змщнення деталей ВВЗ з використанням обкатного елементу е ампл1туда коливань в1брозбуджувача. На вщмшу вщ процесу в1брацшного змщнення деталей, де змша ампл1туди коливань контейнера дуже суттево впливае на показники якост1 змщнення, ВВЗ менш чутлива до змши ампл1туди коливань в1брозбуджувача. Це пщтверджено в робот1 [5].
Експериментальш дослщження проводились при вщповщних технолопчних режимах, окр1м ампл1туди коливань, яку вибирали з д1апазону А = 3...7 мм.
На рис. 6 представлена залежшсть товщини змщненого шару вщ змши ампл1туди коливань деталг Процес обкочування обкатника по оброблюванш поверхш детал1 починае вщбуватися вже при амплпуд1 А = 3 мм, про що свщчить на граф1ку наявшсть змщненого шару певно! товщини. До ампл1туди А = 3 мм процес обкатки нестшкий, проходить ¿з зривом обкочування та ударами.
72
Використовувати для процесу змщнення режими з А < 3 недоречно, нав1ть за потреби незначного р1вня показниюв якост1 оброблювано! поверхш.
7 А , мм
7 А , мм
а)
б)
Рис. 6. Вплив амплггуди коливань на глибину (а) I мжротвердкть (б) змщненого приповерхневого шару на сталях: 1 - 40Х; 2 - 35
Одним ¿з основних параметр1в, за яким оцшюють технолог!! змщнення ППД, е стутнь наклепу. Стутнь наклепу визначають за наступною
залежшстю
•1
[(
тг50 _ тт50 п ц пов. п
ц, вих
.) /Н ^иЛ 100%
де Н /л пов
г50
м1кротверд1Сть зм1цнено1 поверхн!;
Я.
м вих. - м1кротверд1Сть вих1дного металу.
За результатами розрахунюв побудовано вщповщш граф1чш залежност1 (рис. 7).
Отже, експериментально пщтверджено достов1ршсть залежност1 в = 2А та встановлено оптимальне для обраних розм1р1в зразюв та деталей значения ексцентриситету в = 10 мм, яке е сталим для змщнення обох марок сталей. Кр1м того оцшено вплив ампл1туди коливань на показники якост1 змщненого шару. Оптимальним значениям ампл1туди коливань для процесу змщнення е И величина 5 мм, рекомендований д1апазон значень - А = 3 - 7 мм для поверхневого пластичного деформування основною характеристикою процесу змщнення е стутнь наклепу. Вш для стал1 40Х досягае 288 %, а для стал1 35 -100 %, з чого слщуе, що сталь 40Х пщдаеться наклепу значно краще чим сталь 35. При цьому стутнь наклепу стал1 40Х у 2,9 рази вищий пор1вняно ¿з сталлю 35.
3
4
5
6
3
4
5
6
73
„ %
250
200
150
100
3
/
...........
0 6 12 18 24 30 36 х, ХВ
а)
0 6 12 18 24 30 36 т, ХВ б)
Рис. 7. Стушнь наклепу сталей 40Х (а) та 35 (б) теля ВВЗ з масами робочого ¡нструменту 1 - 3,5; 2 - 4,5; 3 - 6,0; 4 - 7,5 кг
%
100
60
Висновки. Встановлено експериментально оптимальну тривалють змщнення для сталей 35 та 40Х вщповщно 12 та 28 хв, та максимальну м1кротверд1сть 3,4 та 7,13 ГПа при мас1 ¿нструменту т = 3,5 кг. Перев1рено вплив ексцентриситету та ампл1туди коливань, де п1дтвердились ран1ше встановлен1 законом1рностг Встановлено ступ1нь наклепу для сталей 35 та 40Х, який становить в1дпов1дно 100 та 288 %, вщповщно сталь 40Х п1ддаеться наклепу значно краще чим сталь 35. Очевидно, що под1бн1 характеристики матимуть под1бн1 марки сталей. Отриман1 значения ступеня наклепу дають п1дстави для отримання високих експлуатац1йних властивостей.
В подальшому плануеться проводити досл1дження на шших марках матер1ал1в та вдосконалення реал1зац11 самого процесу ВВЗ.
Л1тература
1. Кирил1в В. I. Змщнення деталей помп методами штенсивно! пластично! деформаци / В. I. Кирил1в, Я. Б. Кирил1в, П. Я. Сидор // Науков1 нотатки. -М1жвуз1вський зб1рник (за напрямом «1нженерна механ1ка»). - 2009. - Випуск 25, частина II (червень, 2009). - С. 109 - 113.
2. Азотирование и карбонирование. / Чатерджи-Фишер Р., Эйзел Ф. В. и др. Пер. с нем. / Под ред. Супова А. В. - М.: Металлургия, 1990. - 280 с.
3. Афтаназ1в I. С. Вплив умов обробки на ефектившеть в1брацшно-в1дцентрового змщнення / I. С.Афтаназ1в, Я. Б. Кирил1в // Зб1рник наукових праць асоц1ац1! "Автобус". Проектування, виробництво та експлуатащя автотранспортних засоб1в 1 по!зд1в. - 2001. - Випуск 5.- С. 16-18.
4. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев - М.: Металлургия, 1978. -
648 с.
5. Пщвищення надшност1 деталей машин поверхневим пластичним деформуванням: Навчальний пос1бник / I. С. Афтаназ1в, А. П. Гавриш, П. О. Киричок та ш. - Житомир: Ж1Т1, 2001. - 516 с.
74
6. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин / М. А. Балтер. - М.: Машиностроение, 1968. - 196 с.
Summary
Ya. B. Kyryliv, candidate of science (Engineering), Senior Researcher INFLUENCE OF VIBRATION-CENTRIFUGAL STRENGTHENING PARAMETERS ON THE DEPTH AND MICROHARDNESS
The article deals with the methods of surface plastic deformation. Vibration-centrifugal enhancement is one of the most effective methods of surface plastic deformation. Vibration-centrifugal consolidation allows to reach high values of microhardness and depth of hardening by the way of adjusting of a wide range of the process parameters, such as eccentricity, amplitude, weight tools, processing time. for The degree of hardening for 35 and 40X steels is established. The values of microhardness, depth and degree of consolidation defamation give reasons for getting the high performance properties.
Key words: surface plastic deformation, vibration-centrifugal consolidation, microhardness, duration of treatment, the depth of hardening, eccentricity, amplitude, degree of libel.
Рецензент - д.т.н., професор Щж Б.Р.
75
