Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований ... 9
1.1. Долговечность деталей машин, работающих в условиях контактно-усталостного нагружения 9
1.2. Показатели качества поверхностного слоя деталей машин, определяющие долговечность при контактно-усталостном нагружении 12
1.3.Технологические способы обеспечения сопротивления контактному выкрашиванию деталей машин 24
1 АМетод статико-импульсного упрочнения 33
1.5.Цель и задачи исследований 36
Выводы 37
2. Общая методика исследований 39
2.1 .Оборудование и материалы для статико-импульсной обработки 39
2.2. Методика создания упрочненного поверхностного слоя с различной равномерностью статико-импульсной обработкой 43
2.3. Оборудование для исследования сопротивления контактному выкрашиванию 44
2.4. Методика испытаний на сопротивление контактному выкрашиванию 52
2.5 Методика исследования микротвердости 58
Выводы 61
3. Разработка технологии статико-импульсного гетерогенного упрочнения 62
3.1. Конструктивные, конструктивно-технологические и технологические параметры статико-импульсной обработки, формирующие гетерогенную структуру 62
3.2. Технологические рекомендации по обеспечению заданного коэффициента перекрытия статико-импульсной обработкой 67
3.3. Экспериментальные исследования равномерности поверхностного слоя упрочненного статико-импульсной обработкой 68
3.4.Параметры гетерогенности упрочненного поверхностного слоя 75
Выводы 90
4. Разработка теоретической модели процесса статико-импульсного гетерогенного упрочнения 92
4.1. Анализ способов расчета эпюр микротвердости 92
4.2. Методика определения микротвердости при помощи программы Deform 3D 100
4.3.Исследование влияния коэффициента перекрытия на глубину и равномерность упрочнения 108
4.4. Экспериментальная оценка адекватности рассчитанных в Deform 3D эпюр микротвердости 109
4.5.Методика расчета технологических и конструктивно-технологических параметров статико-импульсной обработки, обеспечивающих гетерогенное упрочнение поверхностного слоя 119
Выводы 127
5. Влияние комплексных технологических и эксплуатационных параметров на сопротивление контактному выкрашиванию гетерогенно упрочненного поверхностного слоя ... 128
5.1. Оценка сопротивления контактному выкрашиванию гетерогенно упрочненной поверхности 128
5.2. Влияние коэффициента перекрытия на сопротивление контактному выкрашиванию 130
5.3. Влияние площади пятна контакта гетерогенно упрочненной поверхности и контртела на сопротивление контактному выкрашиванию 133
5.4. Влияние окружной скорости контртела на сопротивление контактному выкрашиванию гетерогенно упрочненной поверхности 135
Выводы 136
6. Практическое использование результатов исследований 137
6.1. Ориентировочный расчет необходимой глубины упрочнения для типовых деталей машин 137
6.2. Технологические рекомендации по созданию гетерогенно упрочненной структуры статико-импульсной обработкой 139
6.3. Повышение контактной выносливости шлицевого вала созданием гетерогенной структуры статико-импульсной обработкой 142
6.4. Технико-экономический расчет эффективности применения статико-импульсной обработки для повышения сопротивления контактному выкрашиванию поверхностного слоя деталей машин 152
Выводы 155
Общие выводы 156
Библиографический список 158
Приложение 165
- Показатели качества поверхностного слоя деталей машин, определяющие долговечность при контактно-усталостном нагружении
- Методика создания упрочненного поверхностного слоя с различной равномерностью статико-импульсной обработкой
- Технологические рекомендации по обеспечению заданного коэффициента перекрытия статико-импульсной обработкой
- Методика определения микротвердости при помощи программы Deform 3D
Введение к работе
Выход из строя огромного числа деталей машин, работающих в условиях контактно-усталостного нагружения, происходит вследствие появления локальных выкрашиваний на их рабочих поверхностях. К таким деталям относятся зубчатые колеса, элементы подшипников качения, червячных, гипоидных, винтовых, цепных и глобоидальных передач, направляющих и шли-цевых соединений, кулачковых механизмов и т.д. Резервы повышения их долговечности заключаются в технологическом обеспечении рационального состояния поверхностного слоя, воспринимающего циклические контактные нагрузки. Для этого широко используют упрочняющую обработку, которой создают поверхностный слой с высокой твёрдостью и большой толщиной. Достаточно хорошо зарекомендовал себя упрочненный поверхностный слой, в котором чередуются участки высокой и низкой твёрдости — гетерогенной структурой.
Исследованиями Иванова Г.П., Куманина В.И. доказана высокая эффективность применения для снижения сопротивления контактному выкрашиванию гетерогенно упрочненной структуры поверхностного слоя, создаваемой поверхностной ТО или ХТО. Вместе с тем для упрочнения деталей машин широко используется упрочнение ППД, которое обладает рядом достоинств по сравнению с другими способами упрочнения: низкая энергоемкость, плавность перехода упрочненного поверхностного слоя к неупрочнен-ному металлу и др. Исследованиями А.Ю. Албагачиева, А.П. Бабичева, М.А. Балтер, В.Ф. Безъязычного, В.Ю. Блюменштейна, В.М. Браславского, М.С. Дрозда, А.А. Ершова, А.В. Киричека, Ю.Р. Копылова, В.А. Лебедева, М.М. Матлина, А.А. Михайлова, Л.Г. Одинцова, Н.В. Олейника, Д.Д. Папшева, В.В. Петросова, Э.В. Рыжова, В.И. Серебрякова, А.Г. Суслова, Ю.И. Сидяки-на, В.М. Смелянского, Д.Л. Соловьёва, Г.В. Степанова, М.А. Тамаркина, В.П. Федорова, Л.А. Хворостухина, П.А.Чепы, Д.Л. Юдина и др. установлена высокая эффективность применения упрочнения ППД для повышения эксплуа-
тационных характеристик деталей машин, в том числе контактной выносливости. Однако возможности формирования гетерогенной структуры и ее влияния на контактное выкрашивание не исследовались. Это связано с тем, что традиционные способы обработки ППД имеют ограниченные возможности варьирования глубиной и степенью упрочнения поверхностного слоя.
Новый способ ППД - статико-импульсная обработка (СИО) за счет ряда дополнительных конструктивно-технологических параметров позволяет воздействовать на упрочненную поверхность управляемыми ударными импульсами, которые могут формировать в широком диапазоне требуемую глубину и степень упрочнения. Возможности СИО позволяют создавать как равномерно, так и гетерогенно упрочненный слой.
Таким образом, установление взаимосвязи между параметрами стати-ко-импульсной обработки, получаемой в результате гетерогенной структурой поверхностного слоя, и его сопротивлением контактному выкрашиванию является актуальной задачей.
Цель работы: повышение сопротивления контактному выкрашиванию1 деталей машин технологическим обеспечением гетерогенной структуры в процессе деформационного упрочнения статико-импульсной обработкой.
Задачи исследования:
Провести анализ влияния параметров статико-импульсной обработки на показатели качества поверхностного слоя.
Разработать методику экспериментального исследования равномерности упрочненного поверхностного слоя, полученного статико-импульсной обработкой.
Разработать методику исследования износа гетерогенной структуры под действием циклических контактных нагрузок.
Разработать теоретическую модель процесса статико-импульсного формирования гетерогенной структуры упрочненного материала с применением информационных технологий и метода конечных элементов.
Доработать алгоритм и методику расчета технологических, конструктивно-технологических и отдельных конструктивных параметров СИО с целью выявления режимов, обеспечивающих требуемые параметры гетерогенной структуры.
Экспериментально оценить технологические возможности статико-импульсного формирования гетерогенно упрочненной структуры, путем построения и исследования эпюр микротвердости и анализа равномерности упрочнения.
Провести экспериментальные исследования влияния гетерогенного упрочнения статико-импульсной обработкой на сопротивление контактному выкрашиванию.
Разработать технологические рекомендации по гетерогенному упрочнению статико-импульсной обработкой.
Научная новизна.
1. Определена связь между параметрами гетерогенной структуры мате-
риала, характеризующими размер, количество и процентное соотношение
твердых и мягких составляющих, с одной стороны и сопротивлением кон
тактному выкрашиванию - с другой. Выявлены параметры гетерогенности
упрочненной структуры: относительная опорная твердость ьш и относительное количество локальных упрочненных участков на базовой длине N^H.
2. Установлена технологическая возможность создания гетерогенно-
упрочненной структуры с различными параметрами гетерогенности в про
цессе статико-импульсной обработки. Гетерогенное упрочнение статико-
импульсной обработкой с технологическими режимами, обеспечивающими
коэффициент перекрытия пластических отпечатков в диапазоне 0,35<К<0,45,
обеспечивает повышение сопротивления контактному выкрашиванию в 3...6
раз.
3. Разработана конечно-элементная модель процесса статико-импульсного формирования гетерогенной структуры материала в программе Deform 3D, включенная в доработанную методику расчета технологических и конструктивно-технологических параметров, а также отдельных конструктивных параметров оборудования.
Практическая ценность работы заключается в определении режимов статико-импульсной обработки, обеспечивающих создание гетерогенно-упрочненной структуры и повышение сопротивления контактному выкрашиванию; в разработке технологических рекомендации по технологическим и конструктивно-технологическим параметрам статико-импульсной обработки при создании гетерогенно-упрочненной структуры; в разработке метода и конструкции стенда для испытаний на сопротивление контактному выкрашиванию деталей машин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2007, в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, (г. Москва, 2007 г.); на VIII международной научно-технической конференции «Техно-логия-2007», Технологический университет, Хельсинки, Финляндия (г. Хельсинки, 2007г.); на ХХІХ-ХХХП молодежных научно-технических конференциях "Гагаринские чтения", МГАТУ, (г. Москва, 2003-2006 г.г.); на X Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» «Технология - 2008» (г. Орел, 2008г.); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (Муром, 2003-2009 г.г.).
Диссертация выполнялась при поддержке гранта РФФИ № 09-01-99005 «Исследование закономерностей формирования гетерогенных механических свойств материала волной деформации и его долговечности в условиях локальных циклических контактных нагрузок».
Показатели качества поверхностного слоя деталей машин, определяющие долговечность при контактно-усталостном нагружении
Контактная выносливость деталей машин повышается с увеличением их размеров [63, 99, 87]. Это можно объяснить различием градиента напряжений и разностью скоростей деформаций на телах неодинаковых размеров. Так, с уменьшением размеров контактных площадок, возникают большие градиенты напряжений, которые увеличивают различие между степенями деформирования соседних микрообъемов, что приводит к нарушению стабильности их состояния и связей между ними, одновременно уменьшая поддерживающее влияние соседних микрообъемов.
В работе [87] описаны испытания цилиндрических и сферических об В работе [76] влияние размеров деталей на долговечность в условиях контактной усталости исследовалось на шарах с диаметрами 7,94 мм, 12,7мм и 31,8 мм при их качении в паре с цилиндром диаметром 150 мм под нагрузкой обеспечивающей равенство контактного давления. Установлено, что с увеличением размеров шаров возросла их контактная выносливость, которая составила соответственно 7-Ю6; 9-Ю6 и 15-106 циклов. Форма рабочих поверхностей деталей
Форма контактирующих поверхностей является одним из факторов, играющим существенную роль в процессах разрушения рабочих поверхностей. Так при равных величинах контактного давления, нормальных и максимальных касательных напряжений, реальные условия работы деталей могут различаться в зависимости от сочетаний кривизн их рабочих поверхностей.
В исследованиях [76, 63] влияние формы рабочих поверхностей на контактную выносливость рассматривалось при испытании образцов с различ ной геометрией площадки контакта, при их качении под нагрузкой с равными величинами нормальных и максимальных касательных напряжений в контакте. Установлено, что при испытании шара 07,94 мм в паре с тороидом, имевшим радиусы R2i = 4,09 и R22 = 75 мм средняя долговечность образцов составила примерно 0,4-106 циклов. При обкатывании бочкообразного ролика с Rn = 132,5 и Ri2 = 3,75 мм в паре с цилиндром R21 = со и R22 = 75 мм средняя долговечность образцов составила около 6-Ю6. При сочетании бочкообразного ролика Rn = 132,5; R12 = 6,35 мм с цилиндром R2i = 00, R22 = 8,48 мм средняя долговечность образцов составила 10-10 циклов. По мнению авторов [76, 63] столь резкая разница в долговечности между образцами объясняется действием касательных сил, возникающих в результате дифференциального проскальзывания сопряженных поверхностей, которое увеличивается с увеличением изогнутости площадок контакта. Шероховатость поверхности
С уменьшением шероховатости поверхности детали, возрастает её контактная выносливость. Это объясняется тем, что уменьшение шероховатости приводит к увеличению фактической площади контакта, которая в свою очередь уменьшает величину контактного давления тем самым, повышая контактную выносливость поверхностного слоя.
Так по опытам Д. Нимана [98], проведенным на роликах из углеродистой стали (0,27% С, НВ 140) в условиях фрикционного качения, контактная прочность ведущего ролика с тонкой шлифовкой была увеличена на 11%, с полировкой и притиркой на 22%.
В работе И.А. Букуса, выполненной на конических роликах из легированных сталей с твёрдостью НВ 179-255, в условиях ступенчатого нагруже-ния было выявлено, что с уменьшением высоты поверхностных неровностей с 2,3 до 1,1 мк контактная прочность увеличивается на 40% [98].
Исследованиями Ю.А. Мишарина и А.И. Петрусевича на образцах из стали 12ХНЗА, цементованной до HRC 58-60 было доказано увеличение на грузки примерно в два раза для 10 млн. циклов нагружений на нагрузочные кольца с уменьшением их среднеквадратичной шероховатости в тангенциальном направлении с 0,45-1,5 мк до 0,08-0,3 мк [74].
Методика создания упрочненного поверхностного слоя с различной равномерностью статико-импульсной обработкой
Используя дроссели 19, выставляется максимальная скорость подачи S стола 15. Образец 5, который необходимо упрочнить, устанавливается на стол 15, и зажимается накладками 16 с помощью шпилек 17 и гаек 18. Переключателем на выносном пульте маслостанции 21 включается гидроцилиндр 7. Перемещением штока гидроцилиндра 7 плиты 5 и ГМИ 1, инструмент 2 приводится в соприкосновение с обрабатываемой поверхностью образца 3, сжимая демпфер 4 и осуществляя предварительное статическое поджатие инструмента 2 к поверхности детали 3. Затем производится серия ударов для получения единичных отпечатков удара ролика (рис. 2.4). После этого гидроцилиндр 7 включается и производится поднятие плиты 5 и ГМИ 1.
Образец 3 снимается и производится определение характерных размеров опечатка 6 (мм), в направление подачи производится на горизонтальном компараторе ИЗА-2 с точностью 0,0001 мм.
Полученные значения частоты ударов / и размеров отпечатка д, позволяют с помощью заданного значения коэффициента перекрытия К рассчитать скорость подачи S (мм/мин) образца 3, закрепленного на столе 15, относительно инструмента 2.
С помощью дросселей 19, расположенных на маслостанции установки выставляется необходимая для данного коэффициента перекрытия отпечатков К подача стола и производится обработка образцов.
При обработке боек ГМИ ударяет по инструменту 2. Энергия ударной волны через инструмент 2 передается в обрабатываемую поверхность. В результате на обработанной поверхности образуется пластический-отпечаток. Затем образец 3 смещается на расстояние, определяемое скоростью перемещения инструмента 2 относительно образца 3. За это время боек ГМИ взводится, разгоняется и наносит очередной удар по инструменту, формируя на поверхности следующий пластический отпечаток. Совокупность. пластических отпечатков формирует на поверхности образца упрочненную дорожку (рис. 2.5).
Для испытания упрочненных статико-импульсной обработкой образцов на сопротивление контактному выкрашиванию использовался специально разработанный экспериментальный стенд (рис.2.6 - 2.7) [44, 46]. Стенд может устанавливаться на станках сверлильной и фрезерной групп. Основными элементами стенда является обкатник, который крепится в патроне станка. Рабочими элементами обкатника являются шары б, установленные в текстолитовом сепараторе 5. Сепаратор с помощью плиты 4 размещается между двумя образцами 3 и 4. Нижний образец 4 монтируется на столе станка. Верхний образец 3 через просверленные в нем отверстия, жестко крепиться болтами 10 к оправке, в которую ввинчивается конус 1, предназначенный для крепления в патронах станков. Центрование сепаратора относительно образца 3 осуществляются осью 8, которая соединяет их через отверстия просверленные в образце и сепараторе. Сила затяжки гайки 9 и контргайки должны обеспечивать свободное вращение сепаратора относительно образца 3. Зазор между сепараторам 5 и верхним образцом 3 обеспечивается шайбой 7.
Для обеспечения равномерности зазора между верхней и нижней пластинами с образцами перед началом испытаний осуществляется их контроль с помощью индикатора. Расположение шаров 6 на различном расстоянии от центра обкатника, позволяет за одно испытание получить на каждом образце 15 несколько до рожек с различными значениями окружных скоростей, от которых в свою очередь зависит соотношение качение - проскальзывание. ,-.: В одном радиальном ряду может находиться несколько шаров, что позволяет за один оборот сепаратора 5 подвергать пластину с образцами 2 и 3 циклам нагружения равным количеству шаров, что существенно уменьшает время испытаний и увеличивает равномерность нагружения. Одновременное обкатывание двух пластин с образцами 2 и 3, на каждой из которых расположены до восьми дорожек после различных упрочняющих обработок и при различных режимах, уменьшить общее время испытаний, значительно повысить точность и производительность процесса. В конструкции существует возможность убирать шары из одного или нескольких радиальных рядов, в ходе испытаний, если это необходимо, в случае достижения на данной дорожке качения критического износа. При этом испытания могут быть продолжены для других дорожек качения, где износ еще не достиг критического значения.
Технологические рекомендации по обеспечению заданного коэффициента перекрытия статико-импульсной обработкой
Конструктивные, конструктивно-технологические и технологические параметры статико-импульсной обработки, формирующие гетерогенную структуру
В инженерной практике обычно для характеристики поверхностного слоя используются следующие показатели качества: микротвердость, технологические остаточные напряжения, глубина упрочненного слоя, микрогеометрия поверхности. Однако следует учитывать и различную равномерность упрочнения, которая также будет оказывать влияние на эксплуатационные характеристики поверхностного слоя, в частности, на контактно-усталостное изнашивание [45]. Формирование различной равномерности упрочнения ранее осуществлялось только термообработкой и химико-термической обработкой, и при поверхностном пластическом деформировании еще не изучено.
Наиболее эффективным способом ППД для создания поверхностного гетерогенно упрочненного слоя является статико-импульсная обработка, способная управлять равномерностью упрочнения на большой глубине 6-10 мм и более, и обеспечивать степень упрочнения, достигающую 150%. Показатели качества поверхностного слоя зависят от конструктивных, конструктивно-технологических и технологических параметров процесса СИО (рис. 3.1).
Конструктивные параметры СИО определяются элементами оборудования для СИО, которое не может быть изменено в процессе обработки и на стадии подготовки к обработке. Таким оборудованием является генератор импульсов, который имеет ряд характерных конструктивных элементов, оказывающих значительное влияние на процесс СИО. Наиболее значительным из них является боек. Масса бойка rtij оказывает непосредст венное влияние на энергию удара Ау = , где V - скорость удара. Посколь ку в ударных устройствах существует ограничение по скорости ударов до 7...8 м/с (превышение может привести к разрушению конструкции), то необ ходимость повышения энергии ударов будет связана с увеличением массы и размеров бойка и соответственно габаритных размеров ударного устройства. Поэтому, для СИО целесообразно использовать генераторы импульсов, обес печивающие энергию ударов в широком диапазоне за счет настроечных ха рактеристик, регулирующих скорость удара. При этом максимально обеспе чиваемая генератором импульсов энергия ударов недолжна быть значительно выше требуемой, что может привести к высокой энергоемкости процесса. Геометрические размеры бойка длина Lj и диаметр di влияют на форму удар ных импульсов, от которой зависит передача энергии упрочняемому металлу и распространения в нем пластической деформации.
Выбор конструктивных параметров СИО является достаточно приблизительным и самым дорогостоящим этапом. Облегчить эту задачу может позволить автоматизированный расчет формирования показателей качества по- верхностного слоя под действием всех параметров СИО.
Конструктивно-технологические параметры СИО могут изменяться в процессе подготовки операции СИО. К ним относятся: длина и диаметр волновода соответственно L2 и d2, которые выбираются исходя из соотношения к длине и диаметру бойка, форма и размеры инструмента Rn и R2i- Эти параметры определяют форму ударного импульса, передачу энергии удара упрочняемому металлу, т.е. в конечном итоге форму и размеры единичных отпечатков.
Технологические параметры можно регулировать в процессе обработки. К ним относятся: кинетическая энергия ударов, частота ударов, величина статической составляющей нагрузки, подача.
Единичные отпечатки формируются в основном под действием динамической составляющей силы деформирования. Статическая составляющая нагрузки предназначена для более полного использования динамической и должна увеличиваться в зависимости от ее значения. Динамическая составляющая нагрузки характеризуется энергией, амплитудой и длительностью (формой) импульса.
Отношение периода следования импульсов, т. е. частоты ударов к их длительности определяет значение импульсов, т. е. частоты ударов к их длительности определяет значение скважности ударных импульсов. Установление взаимосвязи между каждым из перечисленных параметров СИО и показателями качества поверхностного слоя, в частности гетерогенно упрочненной структурой, является достаточно масштабной и сложной задачей. Упростить эту задачу, без ущерба качества ее решения, можно представив параметры СИО через объединяющие их комплексные технологические параметры. Такими параметрами будут: размер пластического отпечатка и коэффициент перекрытия пластических отпечатков (рис. 3.2).
Размеры пластических отпечатков 5 зависят от формы ударного импульса, определяемой геометрическими размерами бойка и волновода, формой и размерам инструмента, кинетической энергии удара, величины статической составляющей нагрузки.
Перекрытие единичных отпечатков, т.е. кратность динамического на-гружения очага деформации определяется конфигурацией и размерами единичных отпечатков, частотой ударных импульсов и подачей. В зависимости от кратности динамического воздействия находятся степень, равномерность и глубина упрочнения поверхностного слоя. В результате различной кратности динамического нагружения может быть создан как равномерно упрочненный поверхностный слой, так и гетерогенный, чередующий по определенному закону твердые и мягкие участки.
