Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние упрочнения пшершостным пластическим деформированием на прочность деталей из легких конструк ционных сплавов 10
1.1. Повышение усталостной прочности деталей машин из легких конструкционных сплавов 12
1.2. Методы упрочнения деталей из легких конструкционных сплавов поверхностным пластическим деформированием 18
2. Бибрационно-цжгробежная упрочняющая обработка деталей формы телвращшия 27
2.1. Сущность способа поверхностного упрочнения деталей вибралионно-центробежной упрочняющей обработкой 27
2.2. Принципиальные схемы ВЦУО 31
2.3. Исследование динамики обрабатываемой детали при ВЦУО 37
2.4. Экспериментальное исследование динамики обрабатываемой детали при ВЦУО 50
2.5. Толщина упрочненного слоя и время обработки при поверхностном упрочнении деталей ВЦУО 66
3. Экшершенталшое исследование влияния технологических параметров процесса вцуо на показатели качества упрочняющей обработки 80
3.1. Лабораторная установка и применяемое оборудование 80
3.2. Методики определения показателей качества упрочняющей обработки упрочненных ВЦУО образцов и барабанов 86
3.3. Влияние времени обработки деталей на основные показатели качества упрочняющей обработки 91
3.4. Влияние диаметра обрабатывающих тел на основные показатели качества упрочняющей обработки 101
3.5. Влияние массы обрабатываемых деталей на основные показатели качества упрочняющей обработки 108
3.6. Влияние амплитуды и частоты колебаний контейнера на толщину упрочненного слоя при ВЦУО 119
3.7. Экспериментальное исследование упрочнения внутрен них поверхностей деталей ВЦУО 133
3.8 Температурный режим и расход подаваемой в контейнер СОЖ при поверхностном упрочнении деталей ВЦУО 140
4. Влияние параметров обработки на усталостную прочность деталей, обработанных вщю 147
4.1. Механизм формирования остаточных напряжений в материале деталей при ШЩ 147
4.2. Методика определения остаточных напряжений 149
4.3. Влияние параметров обработки на остаточные напряжения в материале деталей при ВЦУО 156
4.4. Эффективность упрочнения деталей из легких конструкционных сплавов вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой 166
4.5. Усталостные испытания макетов барабанов, упрочненных ВЦУО 176
5. Оборудование для упрочняли обработки и влияние поверхностного упрощения вцуо на прочностные характеристики барабанов и реборд колес транспортных средств 184
5.1. Вибрационные машины для поверхностного упрочнения барабанов и реборд колес транспортных средств 184
5.2. Натурные статические и усталостные испытания упрочненных ВЦУО барабанов колес транспортных средств 193
5.3. Снижение материалоемкости барабанов колес транспортных средств, упрочненных поверхностным пластическим деформированием 200
Список литературы 212
Приложение
- Методы упрочнения деталей из легких конструкционных сплавов поверхностным пластическим деформированием
- Толщина упрочненного слоя и время обработки при поверхностном упрочнении деталей ВЦУО
- Методики определения показателей качества упрочняющей обработки упрочненных ВЦУО образцов и барабанов
- Влияние параметров обработки на остаточные напряжения в материале деталей при ВЦУО
Введение к работе
В современном машиностроении и приборостроении одной из важнейших задач является повышение качества, надежности и долговечности как изготовляемых изделий в целом, так и отдельных узлов и деталей.
На ХХП съезде КПСС подчеркивалось, что одна из основных задач науки и техники в области машиностроения - "разрабатывать и внедрять высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло- и холодостойкости металлов и сплавов, металлических конструкций". При этом необходимо "значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции..." [і].
В условиях высоких скоростей относительного перемещения и нагрузок контактирующих поверхностей все больше возрастают требования к износостойкости, антифрикционным свойствам, сопротивлению ударным нагрузкам и усталостной прочности деталей, что в большинстве случаев обеспечивается приданию их поверхностному слою необходимых физико-механических свойств. Работами таких советских ученых, как Кудрявцев Й.В., Серенсен СВ., Папшев Д.Д., Степнов М.Н., Дрозд М.С., Петросов В.В. и др. доказано, что в связи с неравномерным распределением напряжений по сечению деталей, а также в силу того, что наружный слой металла является ослабленным, так как несет большое количество различных дефектов механического и металлургического происхождения, усталостное разрушение деталей в большинстве случаев начинается с поверхностного слоя. С целью увеличения надежности и долговечности деталей машин, путем придания их поверхностному слою требуемых физикочйеханических свойств, в настоящее время в машиностроении широко используют различные методы поверхностного пластического деформирования (ПОД), являющиеся одним из наиболее простых и эффективных методов упрочнения. Б результате упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием в поверхностном слое обрабатываемых деталей происходят структурные изменения, повышается его твердость и прочность, образуются благоприятные остаточные напряжения сжатия, снижается шероховатость обработанных поверхностей. Все это способствует повышению надежности и долговечности деталей в особенности подверженных в процессе эксплуатации циклическим нагружениям.
Несмотря на большое количество используемых в машиностроении методов ШЩ (их насчитывается более тридцати), универсального, эффективного для всей многообразной гаммы применяемых деталей не существует. В связи с этим, в каждом отдельном случав под конкретную деталь подбирают тот или иной метод ПОД, в наибольшей мере удовлетворяющий повышению ее эксплуатационных характеристик, будучи при этом экономически целесообразным.
Не прекращаются работы и по созданию новых методов ПОД, обеспечивающих в сравнении с существующими большую эффективность упрочняющей обработки. Так, например, появившиеся в последнее время лазерное и ультразвуковое упрочнение, ударно-импульсная отделоч-но-упрочняющая обработка при высокой производительности обеспечивает высокую степень упрочнения материала поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
К числу новых, перспективных, с точки зрения их дальнейшего развития методов ПОД, принадлежит и созданный во Львовском политехническом институте метод вибрационно-центробежной упрочняющей обработки (ВЦУО) деталей формы тел вращения, внедренный на Каменск-Уральском литейном заводе для упрочнения наружных и внутренних поверхностей барабанов и реборд колес транспортных средств. Предварительные исследования физико-механических свойств поверхностного слоя и усталостные испытания упрочненных ВЦУО барабанов показали высокую эффективность этого метода, а повышение производительности труда на упрочняющей операции в сравнении с ранее применявшейся упрочняющей обработкой накатыванием роликом в 4...6 раз - его экономическую целесообразность.
Однако отсутствие данных по влиянию основных технологических параметров этого процесса на усталостную прочность деталей из легких конструкционных сплавов, а также недостаточная изученность динамики обрабатываемых деталей при ВЦУО препятствуют широкому внедрению процесса в машиностроении.
Целью настоящей "работы является создание высокопроизводительного метода поверхностного упрочнения деталей формы тел вращения, теоретическое и экспериментальное исследование влияния его технологических параметров на прочностные и эксплуатационные свойства деталей из легких конструкционных сплавов.
Для реализации цели был решен ряд вопросов, из которых на зашиту выносятся следующие:
1. Результаты исследования динамики процесса упрочнения наружных и внутренних поверхностей крупногабаритных деталей формы тел вращения вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой,
2. Результаты исследования влияния технологических параметров процесса поверхностного упрочнения вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой на усталостную прочность образцов и деталей из легких конструкционных сплавов.
3. Оборудование и методика его расчета для упрочнения наружных и внутренних поверхностей барабанов и реборд колес транспортных средств вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой. Научная новизна работы состоит в том, что исследованы закономерности нового метода поверхностного упрочнения крупногабаритных деталей формы тел вращения, определены основные технологиче 7
ские параметры процесса вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой и их влияние на усталостную прочность деталей и образцов из легких конструкционных сплавов, получены зависимости для определения времени обработки и прогнозирования толщины упрочненного слоя при ВЦУО. Разработана конструкция и методика расчета вибрационных машин для поверхностного упрочнения барабанов и реборд колес транспортных средств вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой.
Результаты работы могут быть использованы при выборе оптимальных параметров поверхностного упрочнения барабанов и реборд колес транспортных средств вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой, создании оборудования для вибрационно-центробежной упрочняющей обработки, разработке новых более экономичных в эксплуатации типов барабанов и реборд, создании технологии механической обработки крупногабаритных деталей формы тел вращения, обеспечивающей повышение их надежности и долговечности.
Работа состоит из пяти глав. В первой главе приведен литературный обзор по вопросу влияния упрочнения поверхностным пластическим деформированием на прочностные характеристики деталей из легких конструкционных сплавов, подверженных в процессе эксплуатации циклическим нагружениям. Проведена классификация существующих методов ППД, отмечена группа наиболее перспективных, с точки зрения их дальнейшего развития. Описана конструкция объекта исследований - барабанов и реборд колес транспортных средств, проанализированы используемые в настоящее время методы их поверхностного упрочнения накатыванием роликом и вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой (ВЦУО). Здесь же сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе описан метод поверхностного упрочнения деталей формы тел вращения вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой, рассмотрены принципиальные схемы упрочнения наружных и внутренних поверхностей деталей ВЦУО и их совместной обработки. Приведены результаты исследований динамики обрабатываемых деталей в колеблющемся контейнере при поверхностном упрочнении их ВЦУО, определено оптимальное количество обрабатывающих шаров и соотношение диаметра обрабатываемой поверхности детали, поверхности контейнера и обрабатывающих шаров, обеспечивающее наибольшую интенсивность упрочняющей обработки, установлены зависимости для определения силы взаимодействия детали с контейнером в процессе ее обработки и силы взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар.
В третьей главе установлены основные технологические параметры, влияющие на показатели качества упрочняющей обработки при ВЦУО, экспериментально исследовано влияние каждого из этих параметров на толщину упрочненного слоя, поверхностную микротвердость и шероховатость обработанных поверхностей деталей из магниевого сплава МЯ-І2 и алюминиевого сплава АК6. Приведены полученные теоретическим путем зависимости для определения толщины упрочненного слоя и времени обработки при ВЦУО,обеспечивающих максимальное повышение физико-механических свойств материала поверхностного слоя обрабатываемых деталей из легких конструкционных сплавов.
В четвертой главе исследовано влияние технологических параметров процесса на характер и величину распределения остаточных напряжений в поверхностном слое материала деталей, приведены результаты усталостных испытаний цилиндрических образцов из сплавов МД-І2 и АК6, упрочненных при различных режимах, а также усталостных испытаний крупногабаритных макетов барабанов авиационных колес. Здесь же определена сила взаимодействия детали с контейнером, приходящаяся на единичный обрабатывающий шар при ВЦУО, обеспечивающая максимальное повышение усталостной прочности де 9
талей из легких конструкционных сплавов.
В пятой главе дана принципиальная схема вибрационной машины для поверхностного упрочнения барабанов и реборд колес транспортных средств вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой, приведены техническая характеристика и описание опытных образцов вибрационных машин для упрочнения барабанов различных типов, проанализированы результаты натурных статических и усталостных испытаний упрочненных ВЦУО барабанов типа KT-I4I и KT-I50. В главе также даны рекомендации по выбору оптимальных параметров упрочняющей обработки барабанов и реборд колес транспортных средств ВЦУО, проанализированы преимущества и недостатки поверхностного упрочнения барабанов и реборд ВЦУО в сравнении с упрочняющей обработкой их накатыванием роликом.
Выводы даны после каждой из глав.
В Приложении изложена методика расчета вибрационных машин для поверхностного упрочнения барабанов и реборд колес транспортных средств вибрационно-центробежной упрочняющей обработкой, в качестве примера приведен расчет вибромашины для поверхностного упрочнения барабанов типа KT-I4I.
Методы упрочнения деталей из легких конструкционных сплавов поверхностным пластическим деформированием
Несмотря на многообразие существующих методов ШЩ, все они могут быть классифицированы на пять основных групп в соответствии со схемой деформирования поверхности металла в зоне контакта с инструментом [2l]. Классификация: различных методов ПВД представлена в табл.1.1.
К первой группе относятся разнообразные методы накатывания (обкатывание и раскатывание), под которыми подразумевается по
верхностное пластическое деформирование при качении инструмента (шарика или ролика) по поверхности деформируемого материала. Пластическое деформирование при накатывании осуществляется в условиях трения качения инструмента по поверхности детали, контакт инструмента и детали - точечный или по линии. При оптимальных режимах обработки накатыванием деталей из легких конструкционных сплавов чистота поверхности повышается на 1,..2 класса за один проход (в зависимости от исходной шероховатости и количества проходов достигается 8...II класс), обеспечиваемая толщина упрочненного слоя от 0,2 до 1,8 мм, твердость поверхностного слоя повышается на 10...50%, в поверхностном слое обеспечиваются остаточные напряжения сжатия до 300 МПа. Методы этой группы нашли наибольшее распространение для упрочнения деталей из алюминиевых и магниевых сплавов и используются для упрочнения барабанов и реборд авиационных колес, самолетных винтов и т.п.
Ко второй группе методов ПГЩ принадлежат методы упрочнения связанным ударным инструментом. Наиболее яркими представителями этой группы методов являются упрочняющая чеканка, центробежная обработка и обработка механическими щетками. Общим признаком этих методов ПЕД является наличие ударного взаимодействия связанного инструмента (наконечник при чеканке) или инструментов (шарики или ролики при центробежной обработке и щетки при упрочнении механическими щетками) с обрабатываемой поверхностью деталей. Наличие ударного взаимодействия при этом обеспечивает более высокие степень упрочнения и уровень остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое материала обрабатываемых деталей, чем при упрочнении методами, принадлежащими к первой группе.
К третьей группе методов ШД относятся методы упрочняющей обработки выглаживанием, сущность которого заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом. При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются частично или полностью, повышается твердость поверхностного слоя, в нем образуются остаточные напряжения сжатия. Основная сфера применения выглаживания -автомобилестроение, где она используется для отделочно-упрочняю-щей обработки шеек коленчатого и распределительных валов, клапанов, крестовин и т.д. Для деталей из легких конструкционных сплавов этот способ используется весьма мало.
Четвертая группа методов ШЩ - дорнование, применяемое для обработки отверстий, сущность которого состоит в том, что инструмент - дорн, рабочий диаметральный размер которого несколько больше размера обрабатываемого отверстия, продавливается или протягивается через него. Дорнование обеспечивает на деталях из легких конструкционных сплавов чистоту обработанной поверхности 7-9 классов, увеличение поверхностной твердости в среднем на 7...10$,толщину упрочненного слоя 0,02...0,1 мм. Используется в основном для упрочнения различных отверстий проушин на деталях из алюминиевых сплавов.
Наиболее эффективными и перспективными, с точки зрения дальнейшего развития, являются методы ПОД, принадлежащие к пятой группе, так называемые методы динамического упрочнения, основанные на динамическом воздействии (ударе) инструмента или инструментов на обрабатываемую поверхность детали. Основными представителями этой группы методов ПЦД являются дробеструйная (гидродро-беструйная, пневмодинамическое упрочнение, гидрогалтовка) и вибрационная упрочняющие обработки.
Сущность дробеструйной упрочняющей обработки состоит в том, что на подлежащую обработке поверхность детали направляется поток движущейся с большой скоростью дроби, которая при соударении пластически деформирует обрабатываемую поверхность детали. Основные преимущества дробеструйной обработки - высокая производительность процесса, обеспечение высокой степени наклепа (до 35...40%), образование остаточных напряжений сжатия в поверхностном слоем материала деталей из легких конструкционных сплавов до 250 МПа [22].
Основой виброупрочнения является динамический характер протекания процесса, сопровождаемый множеством микроударов частиц обрабатывающей среды по поверхности обрабатываемых деталей и обеспечивающий пластическое деформирование поверхностного слоя [23,24,25, 26] Наиболее наглядны преимущества методов виброупрочнения (вибрационного упрочнения, вибрационно-центробежной упрочняющей обработки, виброударного метода С.В.Очагова) при обработке деталей сложной конфигурации, упрочнении внутренних поверхностей деталей, обработке больших партий мелких деталей.
Методы ПВД, принадлежащие к группе динамического упрочнения, благодаря ударному взаимодействию инструмента с деталью, в сравнении с другими методами обеспечивают более высокую степень упрочнения и уровень распределения остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое материала деталей, что, в конечном итоге, обеспечивает более высокую усталостную прочность деталей из легких конструкционных сплавов, подвергаемых в процессе эксплуатации знакопеременным циклическим нагрузкам. Методы этой группы отличаются высокой производительностью и весьма широко используются в самолетостроении для упрочнения плоскостей, лонжеронов, несущих винтов, барабанов авиационных колес и т.п.
Толщина упрочненного слоя и время обработки при поверхностном упрочнении деталей ВЦУО
При упрочнении поверхностей деталей обрабатывающими телами энергетические возможности процесса оценивают по толщине упрочненного слоя. Установлено, что пластически деформированная зона металла при шариковой пробе (т.е. вдавливании шара в поверхность образца) подобна по форме и пропорциональна по объему диаметру отпечатка шара [54,55,56J. Зависимость, связывающая толщину распространения пластической деформации "а" силой Ра, действующей на шар, и пределом текучести материала при растяжении "6 "» установлена С Г.Хейфец [57 J (рис.2.10)
Так как для большинства металлов отношение их твердости по Бри-нелю "НВ" к пределу текучести "б" есть величина постоянная, т.е. о= L; , то эта формула может быть преобразована в виде:
Принимая во внимание, что твердость по Майеру "НМ" определяется соотношением Следовательно, толщина деформированного слоя при статическом вдавливании шара в плиту при малых степенях деформации определяется зависимостью М.С.Дрозд доказал, что, если в данной точке плоской поверхности тела многократно вдавливается один и тот же шар, причем каждому нагружению отвечает одно и то же значение максимальной силы, то после некоторого числа вдавливаний диаметр отпечатка и толщина проникновения пластической деформации под ним получают наибольшую величину, остающуюся неизменной при дальнейшем повторном вдавливании шара в той же точке [56]. Описанное явление имеет место как при статическом, так и при динамическом приложении силы. Разница состоит лишь в том, что в первом случав оно наступает уже после первого вдавливания, а при ударном воздействии шара диаметр отпечатка возрастает с каждым новым ударом и достигает наибольшей и стабильной величины лишь после некоторого, зависящего от свойств металла, количества ударов. Отношение наибольшего, остающегося постоянным диаметра отпечатка к диаметру отпечатка, отвечающему первому удару, т.е. К_=0-Шй практически не зависит от диаметра шара и энергии удара, однако существенно зависит от твердости материала. С уменьшением твердости материала это отношение увеличивается. На рис.2.II представлена принципиальная схема прибора для определения максимального числа повторных ударов, сопровождающихся увеличением диаметра отпечатка и значения коэффициента Кг. На стойке I с возможностью вертикального перемещения установлена каретка 2, к которой прикреплен электромагнит с сердечником 3. На станине под электромагнитом на резиновой прокладке 7 установлен образец 4, отполированная поверхность которого обращена к электромагниту. Резиновая прокладка 7 использована для того,чтобы максимально приблизить условия эксперимента к реальным условиям вибрационно-центробежной упрочняющей обработки, в которой ударное взаимодействие детали с контейнером осуществляется при контактировании их с обрабатывающими шарами при обрезиненной внутренней поверхности контейнера. В качестве индентора использовался стальной шар 5 диаметром Б = 10 мм. При подаче напряжения на катушку электромагнита шар 4 притягивается к его сердечнику и удерживается в таком положении силой магнитного притяжения. При отключении напряжения питания шар отрывается от сер дечника электромагнита и падает на поверхность образца. Для предотвращения повторных ударов после отскока шара от поверхности образца прибор снабжен отсекателем 6. Высота полета шара измерялась при помощи мерной линейки, прикрепленной к стойке, диаметр отпечатка, образованного в результате соударения шара с поверхностью образца, измерялся под микроскопом ММИ-2 с 10 кратным увеличением. Энергия соударения шара с образцом определялась как потенциальная энергия шара при его свободном падении.
В результате экспериментов установлено, что для образцов из магниевых сплавов диаметр отпечатка стабилизируется после 2 = « 88...90 повторных ударов, а отношение наибольшего, остающегося постоянным, диаметра отпечатка к диаметру отпечатка, отвечающему первому удару, равно
Для образцов из алюминиевых сплавов эти величины соответственно равны: Z. = 60...70, Kj= 1,35.
Так как толщина упрочненного слоя, полученного при многократном динамическом вдавливании в пластину шара, практически равна толщине упрочненного слоя, полученного при статическом однократном вдавливании шара при условии равенства отпечатков в том и другом случае, то толщина упрочненного слоя при динамическом вдавливании шара
Методики определения показателей качества упрочняющей обработки упрочненных ВЦУО образцов и барабанов
Определение шероховатости обработанной поверхности производилось по методике, изложенной в работе [68] с использованием высокочувствительного профилографа-профилометра модели 201, по зволяющем производить оценку шероховатости обработанной поверхности по критериям Ra и Rfc . Шероховатость обработанной поверхности измеряли на вырезанных из обработанных кольцевых образцов призматических образцах размером 10x10x30 мм. Измерение производили в трех-пяти характерных местах вдоль длины образующей обработанной поверхности. Для надежного определения степени шероховатости длина участка измерений выбиралась равной четырем базовым длинам [б9].
Толщину упрочненного слоя на обработанных ВЦУО образцах из магниевого сплава измеряли методом микроструктурного анализа согласно методике, изложенной в работе [7о]. Измерения производили на вырезанных из упрочненных кольцевых образцов призматических образцах размером 10x10x30 мм, из которых изготавливали шлифы. Вырезку образцов производили на универсально-фрезерном станке на малых скоростях и подачах при обильном охлаждении. Операция вырезки предусматривала припуск (0,1...0,2 мм) под последующее шлифование и полирование образцов. При приготовлении шлифов образцы после вырезки заливали самоотвердевающей пластмассой ACTT-I ("проткакрил") для предотвращения заваливания краев. Шлифование и полирование образцов при приготовлении шлифов проводили по специальной технологии, рекомендуемой авторами работы [7I,72J. Приготовленный шлиф имел шероховатость, соответствующую 13...14 классу по Г0СТ-2789-73 ( R2= 01...0,025). Поверхность шлифа подвергали травлению и осветлению согласно методики, изложенной в работе [70], и при 120 кратном увеличении с использованием микроскопа типа ММИ по проявленным при травлении шлифа линиям скольжения на деформированных зернах измеряли толщину упрочненного слоя. Толщину упрочненного слоя на обработанных образцах принима ли равной расстоянию от края упрочненной поверхности до группы из трех зерен металла без линий скольжения [70](рис.3.5).
При определении толщины упрочненного слоя на образце из алюминиевого сплава использовали метод рекристаллизации отжига [73]. Из упрочненного кольцевого образца вырезали призматические образцы размером 10x10x30 мм, которые подвергали нагреву под рекристаллизацию в электрических муффельных печах. Температура нагрева составляла 510 + 15С, время выдержки при этой температуре - 3 часа с последующим охлаждением в воде. Затем из образцов приготавливали шлифы, заливая их самоотвердевающей пластмассой, шлифуя и полируя аналогично изложенной выше методике для образцов из магниевого сплава. Шлифы образцов подвергали травлению в реактиве Каллера (95 см3 - Н20, 2,5 см3 - ЦЩЪ » I 5 см3 - ЦС1 , I см - HF), после чего при 70... 150 кратном увеличении на металлографическом микроскопе определяли толщину упрочненного слоя. Определение толщины упрочненного слоя осуществляли по величине рекристаллизированного зерна, принимая ее равной ширине мелкозернистой зоны. Измерение ширины мелкозернистой зоны осуществляли по фотографии микроструктуры шлифа с помощью мерной линейки (рис. 3.6).
Погрешность измерений при определении толщины упрочненного слоя на магниевых и алюминиевых образцах составляла 0,02...0,03мм. Толщину упрочненного слоя определяли на трех-пяти призматических образцах, вырезанных из различных участков кольцевых образцов.
Поверхностную микротвердость материала как магниевых, так и алюминиевых образцов определяли с помощью прибора ПМТ-3, осуществляя наколы трехгранной алмазной пирамидой на шлифах образцов. Величина силы нагружения при определении поверхностной микротвер-дости на образцах из магниевого сплава МЛ-І2 составляла 0,2 Н, а на образцах из алюминиевого сплава АКб - 0,5 Н. Степень упрочнения поверхности вычисляли как процентное отношение разности поверхностной микротвердости упрочненной детали и микротверцости поверхностного слоя неупрочненной детали к микротвердости поверхностного слоя неупрочненной детали по формуле (I.I).
В технологическом процессе упрочняющей обработки деталей выбору оптимального времени обработки уделяется особое внимание. При заниженном технологическом времени упрочняющей обработки на обработанных поверхностях не обеспечивается требуемое повышение поверхностной микротвердости, не будет достигнута требуемая толщина упрочненного слоя. Превышение времени упрочняющей обработки приводит к перенаклепу обрабатываемой поверхности, сопровождающемуся шелушением поверхностного слоя. Шелушение поверхностного слоя способствует зарождению макротрещин, что влечет за собой резкое ухудшение физико-механических свойств поверхностного слоя, повышает шероховатость обработанной поверхности [74,75j. И в одном, и в другом случав ввиду низких физико-механических свойств поверхностного слоя не достигается требуемая эффективность упрочняющей обработки.
Для определения времени обработки, обеспечивающего максимальное повышение физико-механических свойств поверхностного слоя, при упрочнении барабанов и реборд колес транспортных средств ВЦУО на лабораторной вибрационной машине ЛВМ-10 проведен ряд экспериментальных исследований, целью которых было определение влияния времени обработки на толщину упрочненного слоя, поверхностную микротвердость и шероховатость обработанных поверхностей. Обработку опытных кольцевых образцов из магниевого сила ва MI-I2 и алюминиевого сплава АК6 осуществляли при частоте колебаний контейнера 24 Гц, диаметре обрабатывающих шаров 9,5 мм, соотношении объема обрабатывающих шаров к объему свободного пространства контейнера С = 0,38, амплитудах колебаний контейнера 2,25 мм; 3,5 мм; 4,5 мм; 5 мм. В качестве СОЖ использовали 5-ти процентный водный раствор кальцинированной соды, подаваемой в контейнер с расходом 1,5-ТО"6 яг/о на I дм3 объема контейнера. Частота вращения барабана составляла 1,1 с . Время обработки образцов из магниевого сплава МД-І2 варьировали от 5 до 70 минут, а образцов из алюминиевого сплава АК6 - от 15 до 120 мин. Интервал варьирования в обоих случаях составлял 5 мин.
Результаты экспериментального исследования представлены на графиках. На рис.3.7 представлен график зависимости толщины упрочненного слоя от времени обработки для образцов из магниевого сплава МЛ-І2. Как видно из графика, с увеличением времени обработки толщина упрочненного слоя на обрабатываемых поверхностях возрастает, асимптотически приближаясь к некоторому значению, приблизительно равному для данных условий проведения эксперимента 0,9...1,0 мм. При этом толщина упрочненного слоя порядка 0,5...0,6 мм достигается уже при 12...15 мин. обработки. Однако достаточная равномерность упрочнения при этом не обеспечивается. При 25...30 мин. обработки толщина упрочненного слоя достигает 0,8...0,9 мм, различные участки образца упрочнены равномерно. С увеличением времени обработки свыше 35...40 мин. на обрабатываемой поверхности наблюдалось появление участков с местным шелушением металла, свидетельствующее о ее перенаклепе. Прирост толщины упрочнения при этом существенно уменьшается. К 60 мин. обработки зоны шелушения металла распространяются на всю обрабатываемую поверхность образца, увеличение толщины упрочненного слоя прекращается.
Влияние параметров обработки на остаточные напряжения в материале деталей при ВЦУО
В связи с тем, что при поверхностном пластическом деформировании рост плотности дислокаций и связанное с ним увеличение объема материала происходит по всей пластически деформированной зоне, все параметры обработки, определяющие упрочнение слоя, оказывают влияние и на формирование остаточных напряжений. При вибра-пионно-центробежной упрочняющей обработке основное влияние на уровень и характер распределения остаточных напряжений оказывают сила взаимодействия детали с контейнером, приходящаяся на единичный обрабатывающий шар, диаметр обрабатывающих шаров, время обработки и температурный режим и его изменения в процессе обработки. На рис.4.3 представлены эпюры распределения осевых и тангенциальных остаточных напряжений в образцах из магниевого сплава МЛ-І2 при различных уровнях силы Р взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар. Данные получены при амплитуде колебаний контейнера 3,5 мм, частоте колебаний 24 Гц, времени обработки 30 минут с использованием обрабатывающих шаров диаметром 7,8 мм. По мере увеличения силы Р как осевые, так и тангенциальные напряжения увеличиваются, достигая максимума при значении силы Р порядка 85...90 Н. При этом наблюдается и рост растягивающих напряжений в сердцевине образца. Дальнейшее увеличение силы Р приводит к некоторому снижению сжимающих напряжений, что связано, очевидно, с появлением суб-микротрещин в поверхностном слое образцов. Аналогичный характер зависимости остаточных напряжений от силы Р наблюдался и при упрочнении образцов из алюминиевого сплава АК6 (рис.4.4). Здесь максимум осевых (280 МПа) и тангенциальных (210 Ша) напряжений наблюдается при значениях силы Р порядка 190... 195 Н, что на 25...30% превышает уровень этих напряжений при P., =(105..,ПО)Н и на 15...20% - при Р, = (230...240) Н. Увеличение силы взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар, вызывает и рост толщины пластически деформированного слоя в материале образца и, как следствие, уменьшение той части сечения образца, в которой действуют растягивающие напряжения, что приводит к заметному росту их уровня при ограниченном сечении образца. Так при росте максимальных сжимающих осевых напряжений до 280 МПа в результате увеличения силы R до 195 Н максимальные растягивающие напряжения в сердцевине образца увеличиваются с 55 до 125 МПа, т.е. в 2,3 раза.
Существенное влияние на остаточные напряжения в материале обработанных ВЦУ0 деталей оказывает и диаметр обрабатывающих шаров. При той же силе Р взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар, и прочих равных условиях обработки уменьшение диаметра обрабатывающих шаров приводит к повышению максимального значения и градиента как осевых, так и тангенциальных напряжений. На рис.4.5 представлены эпюры осевых и тангенциальных напряжений в материале барабана KT-I4I из сплава MI-I2, полученные при упрочнении с использованием обрабатывающих шаров различных диаметров. При этом было замечено, что при упрочнении с использованием шаров большего диаметра из-за увеличения контактной площади глубина залегания напряжений сжатия возрастает. Максимальные значения напряжений, наоборот, при этом оказались ниже, так как они зависят главным образом от контактного давления. Замечено также, что, как и при исследовании влияния силы взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар, на остаточные напряжения, максимальные значения осевых напряжений находятся у поверхности, а тангенциальные - на 0,15...0,20 мм от нее и в 1,2...1,3 раза их уровень ниже, чем уровень осевых напряжений.
При исследовании влияния времени обработки на остаточные напряжения в материале образцов упрочнение макетов барабанов осуществляли при амплитуде колебаний контейнера 3 мм, частоте колебаний 24 Гц с использованием обрабатывающих шаров диаметром 9,5 мм при силе взаимодействия детали с контейнером, приходящейся на единичный обрабатывающий шар, для макетов из сплава МЛ-І2 равной 90 Н (рис.4.6), а для макетов из сплава АК6- 195 Н (рис.4.7). В результате экспериментальных исследований установлено наличие времени обработки, при котором обеспечиваются максимальные остаточные напряжения. Для макетов из сплава МЛ-І2 это время находится в пределах 28...30 минут, а для макетов из сплава АК6 - в пределах 47...50 минут. Обработка при времени, отличном от указанного (как в сторону его увеличения, так и при его снижении) приводит к уменьшению уровней осевых остаточных напряжений. Аналогичная зависимость наблюдалась и при определении тангенциальных остаточных напряжений.
