Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Упрочнение цилиндрических деталей поверхностным пластическим деформированием. литературный обзор. Цель и задачи исследования 11
1.1 Способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и технологическое оснащение 11
1.2 Влияние поверхностного пластического деформирования на качество поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики деталей машин 22
1.2.1 Изменение шероховатости. 22
1.2.2 Изменение микротвердости.. 24
1.2.3 Формирование остаточных напряжений. 25
1.2.4 Эксплуатационные свойств упрочненных деталей.. 26
1.3 Технологические процессы и оборудование для бесстружечной обработки деталей плоским инструментом 28
1.3.1 Поперечно-клиновая прокатка. 28
1.3.2 Накатывание резьб. 31
1.3.3 Вскрытие осевой полости при прокатке. 32
1.4 Выводы, постановка цели и задач исследования 35
Глава 2 Расчет геометрических параметров поперечной обкатки плоскими плитами. статическое моделирование процесса поперечного сжатия цилиндра 37
2.1. Аналитические зависимости геометрических параметров процесса обкатки плоскими плитами 37
2.2 Конечно-элементное моделирование процесса поперечного сжатия цилиндра плоскими плитами. Описание программы КЭ расчета 45
2.3 Влияние геометрии и материала заготовки, параметров процесса на напряженно-деформированное состояние после поперечного сжатия 49
2.3.1 Влияние степени относительного обжатия 49
2.3.2 Влияние длины цилиндра 57
2.3.3 Влияние диаметра цилиндра 61
2.3.4 Влияние механических свойств материала 64
Выводы по главе 2 66
Глава 3 Определение напряженно-деформированного состояния при кинематическом моделировании поперечной обкатки плоскими плитами 68
3.1 Аналитический расчет остаточных напряжений при упрочнении цилиндрических деталей поперечной обкаткой плоскими плитами 68
3.1.1 Оценка деформированного состояния 68
3.1.2 Аналитический расчет остаточных напряжений 69
3.1.3 Определение граничных условий при обкатке цилиндра плоскими плитами 71
3.1.4 Результаты численного расчета остаточных напряжений 73
3.2 Конечно-элементное моделирование процесса обкатки сплошных цилиндров 76
3.3 Влияние геометрии и материала заготовки, параметров поперечной обкатки на напряженно-деформированное состояние 80
3.3.1 Влияние диаметра цилиндра 80
3.3.2 Влияние степени относительного обжатия 80
3.3.3 Влияние числа оборотов заготовки 83
3.3.4 Влияние механических свойств материала заготовки. 84
3.4 Напряженно-деформированное состояние цилиндрических втулок после поперечной обкатки плоскими плитами 86
3.5 Влияние геометрии втулок и параметров поперечной обкатки на напряженно-деформированное состояние 88
3.5.1 Влияние толщины стенки (t) 88
3.5.2 Влияние относительного обжатия 92
3.5.3 Влияние числа оборотов втулки. 93
3.6 Сравнение напряженно-деформированного состояния цилиндров после поперечного сжатия и поперечной обкатки 95
3.7 Влияние выходного угла рабочего инструмента на напряженно деформированное состояние заготовки 99
Выводы по главе 3 102
Глава 4 Экспериментальное определение показателей качества упрочненных деталей при поперечной обкатке плоскими плитами 104
4.1 Конструкция лабораторной установки для поперечной обкатки деталей плоскими плитами 104
4.2 Определение точности деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами 107
4.3 Определение параметров шероховатости деталей при обкатке плоскими плитами 113
4.4 Определение остаточных напряжений после обкатки заготовок плоскими плитами 123
4.5 Анализ искажения микроструктуры поверхностного слоя и микротвердости упрочненных деталей 129
Выводы по главе 136
Глава 5 Разработка технологических рекомендаций для поперечной обкатки цилиндрических деталей плоскими плитами 139
5.1 Сопоставление качества поверхностного слоя валов упрочненных поперечной обкаткой, локальным способом и охватывающим ППД 139
5.2 Сопоставление оперативного времени поперечной обкатки плоскими плитами с локальным способом упочнения 148
5.3 Рациональные параметры поперечной обкатки плоскими плитами 150
5.4 Схема технологического оборудования для непрерывной поперечной обкатки цилиндрических деталей плоскими плитами 153
Выводы по главе 156
Общие выводы по работе 158
Список литературы 160
Приложение А 168
Приложение Б 170
Приложение В 173
- Способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и технологическое оснащение
- Конечно-элементное моделирование процесса обкатки сплошных цилиндров
- Определение параметров шероховатости деталей при обкатке плоскими плитами
- Сопоставление качества поверхностного слоя валов упрочненных поперечной обкаткой, локальным способом и охватывающим ППД
Введение к работе
Актуальность работы. Втулки, валы и оси составляют большую часть номенклатуры деталей машин. Валы и оси служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и удержания расположенных на них других деталей (зубчатые колеса, муфты, колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин) и восприятия действующих сил. В большинстве случаев именно эти детали лимитируют ресурс узлов и агрегатов машин, поэтому к качеству таких ответственных деталей предъявляются высокие требования.
Решающую роль в обеспечении высокой надежности валов и осей играют поверхностные и подповерхностные слои, являющиеся по условиям работы наиболее нагруженными и самыми ответственными зонами. В связи с этим к поверхностному слою предъявляют более высокие требования, чем к основной массе детали. Требования по созданию прочных и долговечных валов и осей можно удовлетворить не только разработкой современных конструкционных решений и применением новых высокопрочных материалов, но и путем изменений качества поверхностного слоя деталей машин.
Хорошо известно, что применение поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяет эффективно влиять на эксплуатационную надежность широкой номенклатуры деталей машин, имеющих концентраторы напряжений, места посадок с гарантированным натягом и работающих в условиях циклических нагрузок, трения и воздействия коррозионных сред. Главные проблемы, возникающие при осуществлении операций поверхностного пластического деформирования, относятся в основном к области технологии, в частности к поиску наиболее рациональных и высокопроизводительных способов деформирования и к созданию устройств для их реализации.
При обработке ППД деталей типа пальцев, тонких осей и валиков возможности обычных способов упрочнения (обработка шариком, роликом) исчерпаны из-за невозможности закрепления заготовок для обработки и большого изгиба заготовки. Для упрочнения деталей указанного типа необходим способ, не требующий осевого закрепления и исключающий изгиб от поперечной нагрузки. В качестве перспективного направления предлагается использовать способ поперечной обкатки как одни из видов ППД. В связи с этим возникла необходимость углубленного изучения этого процесса, разработки общей инженерной методики, позволяющей не только прогнозировать оптимальный выбор основных параметров и режимов обработки, но и в процессе их практической реализации осуществлять целенаправленное управление этими параметрами.
Цель и задачи работы. Разработка эффективного способа, технологии и оборудования для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических деталей поперечной обкаткой плоскими плитами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Определить геометрические характеристики процесса поперечной обкатки цилиндрических деталей плоскими плитами, обеспечивающие захват заготовки и прохождение стационарного процесса обкатки.
-
Построить конечно-элементную модель напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей при поперечной обкатке плоскими плитами.
-
Определить оптимальные параметры поперечной обкатки, позволяющие получать наиболее благоприятную схему напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей.
-
Разработать конструкцию плоскообкатного станка для проведения поперечной обкатки в лабораторном и опытно-промышленном условиях.
-
Оценить показатели качества и эксплуатационные характеристики деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами.
Научная новизна работы:
-
Предложена новая кинематика отделочно-упрочняющей обработки ППД, позволяющая упрочнять нежесткие цилиндрические детали поперечной обкаткой плоскими плитами.
-
Определены геометрические поля очага деформации и геометрические параметры рабочего инструмента, обеспечивающие устойчивость процесса поперечной обкатки плоскими плитами.
-
Разработана динамическая модель поперечной обкатки цилиндрических деталей плоскими плитами, позволяющая определить остаточное напряженно-деформированное состояние деталей после упрочняющей обработки.
-
Экспериментально определено качество деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами.
Теоретическая значимость. Разработана математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами.
Практическая значимость. Разработана технология ППД поперечной обкатки плоскими плитами, обеспечивающая повышение качества цилиндрических деталей типа валов, втулок и осей. Определены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие получение качественных упрочненных деталей.
Методы исследования и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ технологии машиностроения, физики сплошных сред, теории прочности и упругопластической деформации, механики поверхностного пластического деформирования. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях на опытной установке с применением методов математической статистики и с использованием современных средств измерения:
– для определения размеров и геометрической точности упрочненных деталей использована портальная координатно-измерительная машина Carl Zeiss Contura G2 Aktiv;
– для измерения шероховатости цилиндрических деталей использован профи-лометр Taylor Hobson Form Talysurf i200;
– для определения остаточных напряжений на поверхности упрочненных деталей использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000 G3/G3R;
– для измерения микротвердости упрочненных деталей использован микротвердомер ПМТ-3;
– дикроструктура упрочненных деталей определена на микроскопе МЕТ-2.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным изучением достаточного объема научной литературы, использованием современных средств и методик проведения исследований, и подтверждается согласованностью теоретических выводов с результатами их реальной экспериментальной проверки.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы изложены и обсуждены на VII Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2015 г.); на всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Жизненный цикл конструкционных материалов» (г. Иркутск, 2015–2017 гг.); на I Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (г. Калининград,
-
г.); на Международной научно-практической конференции «Новые решения в области упрочняющих технологий «Взгляд молодых специалистов» (г. Курск,
-
г.); на VIII Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении – 2017» (г. Новосибирск, 2017 г.), а также на ежегодных научно-технических семинарах кафедры машиностроительных технологий и материалов ИРНИТУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ поперечной обкатки цилиндрических деталей плоскими плитами как
один из методов отделочно-упрочняющей обработки, обеспечивающий повышение
производительности обработки и качество упрочненных изделий.
2. Результаты моделирования и численного расчета напряженно-
деформированного состояния цилиндрических деталей после поперечной обкатки
плоскими плитами.
-
Методика экспериментальных исследований и результаты определения показателей качества и эксплуатационных характеристик упрочненных деталей.
-
Технологические рекомендации по выбору параметров и режимов процесса поперечной обкатки плоскими плитами.
Публикации. Результаты работы отражены в 16 публикациях. Из них в журналах рекомендуемого перечня ВАК РФ опубликовано 8 статей, получен патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора. Предложена технология упрочнения цилиндрических деталей поперечной обкаткой плоскими плитами, реализована методика оценки напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей после поперечной обкатки в зависимости от параметров процесса, проведены экспериментальные исследования, анализ, обработка и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные результаты в виде публикаций, научных докладов и рукописи диссертации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 126 наименований источников. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков и 15 таблиц.
Способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и технологическое оснащение
Эффективность упрочнения методом поверхностного пластического деформирования (ППД) в сочетании с высокой производительностью и экономичностью делает их выигрышными способами упрочнения поверхностных слоев деталей машин [64; 66; 68; 69]. В настоящее время широко применяется упрочнение осей вагонов и локомотивов, коленчатых валов, штоков штамповочных молотов, валов и осей тяжёлых мостовых кранов, деталей самолётов (опоры узла крыла, детали шасси, обшивка и др.), всевозможных рессор и пружин, сварных деталей и конструкций, рам мощных прессов, зубьев зубчатых колёс, резьб колонн, валков и т.п. Разработаны и успешно применяются в производственной практике многочисленные способы упрочнения деталей машин и элементов конструкций поверхностным пластическим деформированием. Отличаются они в основном схемой силового воздействия деформирующего элемента на обрабатываемую поверхность. В этом разделе рассматриваются практически основные способы упрочнения наружных поверхностей методом ППД, применяемые в промышленности.
Все существующие и перспективные (разрабатываемые или подлежащие разработке) способы упрочнения с применением ППД в зависимости от формы и размеров детали, их прочности и жесткости, технологического процесса и кинематической схемы обработки, требований к точности и качеству обрабатываемых поверхностей, вида деформирующих элементов, характером их контакта с обрабатываемой поверхностью и характер производства подразделяется, с определенной степенью условности [16], на 3 укрупненных класса - статические, динамические и комбинированные способы упрочнения.
Статическое ППД осуществляется при статическом взаимодействии деформируемого материала с инструментом. При этом инструмент воздействует на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение зоны (или зон) контакта инструмента с заготовкой. Эта зона последовательно проходит всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы весьма малы и не оказывают заметного влияния на процесс ППД. К статическим относятся способы упрочнения внутренних, наружных и плоских поверхностей тел вращения цилиндрической, конической, сферической и другой сложной формы, обеспечивающие непрерывное деформирующее воздействие на обрабатываемую поверхность и постоянство усилия деформирования через шариковые и роликовые деформирующие элементы, встроенные в специальный упрочняющий инструмент. К ним относятся способы накатывания (раскатывание внутренних, обкатывание наружных и плоских торцевых поверхностей деталей), дорнования и выглаживания. За последнее время классификационный состав статических способов упрочнения значительно пополнился в количественном и качественном отношениях за счет создания новых высокоэффективных способов упрочнения [30; 110], в том числе с использованием эффекта наложения низкочастотных колебаний на деформирующие элементы в процессе раскатывания, обкатывания, дорнования и др., что создает предпосылки управления качеством и надежностью изделий в зависимости от их функционального назначения.
Динамическое ППД – осуществляется при ударном взаимодействии заготовки с инструментом. При этом инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, а сила воздействия Р (или энергия удара Эу) в каждом цикле изменяется от минимума до максимума. Особо широкую область применения нашли обработка дробью, чеканка, центробежная обработка, ультразвуковая обработка и др [67; 77; 79; 80].
К комбинированным относятся комплексные процессы упрочнения, объединяющие различные методы упрочняющей технологии, как химико-термические, термо-механические, гальванические и др. в сочетании с статическими или динамическими способами упрочнения металлов ППД [3; 6; 15].
Обкатывание. Значительное место в упрочняющей технологии ППД занимают способы обкатывания роликовым и шариковым инструментом в серийном и массовом производствах [69; 88; 115; 122]. Сущность способов обкатывания состоит в том, что по обрабатываемой поверхности под определенным давлением перемещаются шары или ролики.
На рисунке 1.1.а и б приведена схема обкатывания цилиндрической заготовки на токарном станке. В качестве рабочих тел при обкатывании используют ролик или шарик. Применяют жёсткую или упругую схемы накатывания. При упругой схеме (см. рисунок 1.1.а) рабочее тело прижимается к обрабатываемой поверхности с помощью какого-либо упругого элемента (винтовой пружины сжатия, блока тарельчатых пружин, пружинящей державки и т.д.), который создаёт необходимую силу накатывания Р. При жёсткой схеме (см. рисунок 1.1.б) упругий элемент в обкатном приспособлении (накатнике) отсутствует. Наличие упругого элемента обеспечивает постоянное усилие обкатывания в любой точке обрабатываемой поверхности. Но из-за погрешности предшествующей обработки пластическая деформация поверхностного слоя оказывается неравномерной и по данной схеме обработки обычно не получается повышение точности формы упрочненных деталей [69].
Жесткая схема обработки позволяет получать поверхности с высокой точностью размеров и геометрической формы, но при этом требуется большая точность исходной обрабатываемой поверхности перед обкатыванием.
На практике широко используют универсальное однороликовое и одноша-риковое накатные приспособления, конструкция которых достаточно подробно представлена в литературе [9; 64]. Недостатком однороликовых устройств является незамкнутая система сил, вызывающая деформирование обрабатываемых деталей, устройств и оборудования, быстрое изнашивание подвижных частей системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь). Более рационально при обкатывании длинных валов, а во многих случаях и обычных заготовок, применять многороликовые устройства охватывающего типа. Их конструкция сложнее, но они удобны, надежны и долговечны. В двухроликовом приспособлении обкатывание проводится при симметричном расположении двух ролика на двух взаимосвязанных опорах. Недостаток двухроликовых приспособлений - возникновение изгибающих моментов при несоосной установке роликов и обрабатываемой детали, в результате чего под действием неуравновешенных сил деталь отжимается вверх или вниз, что нарушает жесткость системы СПИД и резко ухудшает условия протекания процесса обработки. Поэтому более целесообразно использовать многороликовые приспособления. Из них самое большое распространение получила компоновка трехроликового накатного приспособления [64]. В нём силы накатывания от каждого ролика (шарика) взаимно уравновешиваются внутри корпуса приспособления и не передаются на подшипники шпинделя. Кроме того появляется возможность либо увеличить осевую подачу втрое (при одинаковом диаметре шариков), либо совместить за один рабочий ход упрочняющее (шариком меньшего диаметра) и сглаживающее (шариком большего диаметра) обкатывание.
Для обкатывания чаще всего используют универсальные станки токарной группы: токарно-винторезные, револьверные, карусельные и т.п. Во многих случаях проводят их целевую модернизацию [68; 108]. Применяют также специальные станки [64]. В частности, выпускаются станки для обкатывания шеек вагонных и локомотивных осей, автоматы АОС-20 и АОС-60 для обкатывания цилиндрических деталей типа штоков, станки Б-056 для обкатывания стержней и т.д. С технологической точки зрения обкатывание имеет ряд преимуществ перед другими способами чистовой обработки. Обкатыванием легко достигается 7, 8, а при необходимости и более высокой степени точности [3; 48; 108]. В частности, хорошо обрабатываются мягкие вязкие стали, чистовая обработка которых резанием затруднена. Достоинством обкатывания по сравнению с другими статическими способами ППД является снижение сил трения между деформирующим элементом и обрабатываемым материалом. Это создает благоприятные условия для пластической деформации, обеспечивающие меньшую шероховатость поверхности при небольшом давлении шара.
Недостатком известных способов является сложность точной установки оси деформирующего элемента параллельно оси детали. Если осевая линия инструмента будет ниже осевой линии заготовки, то материал при деформировании будет «набегать» на инструмент и образовать дополнительную пластическую волну, которая снижает четкость контура рисунка и снижает шероховатость поверхности. Если осевая линия инструмента будет выше оси заготовки, то возникает частичное проскальзывание в зоне контакта, уменьшается глубина пластической деформации. При вибрационном обкатывании деформирующий инструмент в виде шарика быстро изнашивается, так как претерпевает трение скольжение и работает практически одной поверхностью.
Конечно-элементное моделирование процесса обкатки сплошных цилиндров
С помощью программы ANSYS определены напряжения в стальном цилиндре, упрочненном поверхностной поперечной обкаткой. Для проведения расчета в программе ANSYS была приняты следующие параметры моделирования: цилиндр диаметром 10 мм и длиной 20 мм из стали Ст45 (т = 360 МПа); рабочие плиты размерами 3х22х35 мм считаются абсолютно жесткими; величина абсолютного обжатия равна 0,05 мм.
Рабочие эквивалентные напряжения, возникающие в очаге деформации в процессе поперечной обкатки, показаны на рисунке 3.5. Процесс поперечной обкатки цилиндра можно разделить на четыре этапа как показано на рисунке 3.5: А – Поперечное сжатие цилиндра, Б – Поперечная обкатка на первый полуоборот цилиндра, В – Поперечная обкатка на второй полуоборот цилиндра, Г – Разгрузка. При поперечном сжатии цилиндра рабочие напряжения монотонно увеличиваются, достигая предела текучести и вызывают пластическую деформацию. Дальше при первом полуобороте цилиндра рабочие напряжения незначительно возрастают (до 6,6 %). А на втором полуобороте сначала рабочие напряжения имеют небольшой спад (на 3 %), затем остаются постоянными. На этапе разгрузки рабочие напряжения монотонно уменьшаются до уровня остаточных напряжений. В качестве рабочих напряжений за весь процесс поперечной обкатки можно принять максимальные напряжения при первом полуобороте цилиндра.
Радиальные остаточные напряжения по сечению цилиндра (см. рисунок 3.6.б) являются растягивающими и монотонно возрастают от поверхности цилиндра к его центру. Распределение тангенциальных и осевых остаточных напряжений также носит знакопеременный характер (см. рисунок 3.6.в и г). Для них максимальные напряжения сжатия наблюдаются на некоторой глубине от пе риферии, а максимальные напряжения растяжения наблюдаются в центральной зоне цилиндра. Эквивалентное напряжение непрерывно увеличивается от центра до подповерхностных слоев, а далее немного понижается на поверхности цилиндра (см. рисунок 3.6.а).
На рисунке 3.7 более наглядно показано распределение остаточных напряжений по сечению цилиндра после поперечной обкатки. Максимальное остаточное напряжение сжатия наблюдается у тангенциальных напряжений (-343 МПа). Поперечная обкатка формирует в цилиндре наибольшие остаточные напряжения сжатия в тангенциальном направлении (см. рисунок 3.7).
На рисунках 3.8 и 3.9 показано распределение изменения диаметра и осевой деформации по длине цилиндра. У двух торцов цилиндра имеются резкое повышение изменения диаметра и появление осевой деформации. Это значит, что при поперечной обкатке существует действие краевого эффекта.
Как и при поперечном сжатии длина зоны действия краевого эффекта составляет около 3 мм. Максимальное отклонение диаметра цилиндра после обкатки составляет 4,5 мкм, что соответствует седьмой степени точности по цилиндричности. У двух торцов удлинение поверхностных слоев составляет около 0,04 мм. На практике это удлинение не выходит за предел рекомендуемой фаски для вала данного размера (ширина фаски 0,5-1 мм).
Определение параметров шероховатости деталей при обкатке плоскими плитами
После обкатки заготовок плоскими плитами измерение параметров шероховатости и волнистости выполнено на профилометре Taylor Hobson Form Talysurf i200 с компьютерным управлением (рисунок 4.15). Данный прибор представляет собой контактное устройство для измерений параметров шероховатости поверхности. На гранитной плите смонтирована массивная колонна с высокоточными направляющими, на которой крепится привод с установленным в нем датчиком. Деталь крепится на специальной призме, установленной на плите. Компьютер подключен к датчику, приводам и элементам управления перемещениями. Управление всеми автоматизированными перемещениями осуществляется при помощи меню на экране монитора. Образец устанавливался в призму, с помощью блока управления подводится датчик к нужному измеряемому участку. Результаты измерений обрабатываются специализированной программой компьютером и выводятся на монитор компьютера для выполнения дальнейших расчетов.
Наиболее оптимальный для обкатывания рельеф поверхности можно получить при стабильном процессе точения со значительными скоростями резания (150 200 м/мин). Оптимальный параметр шероховатости исходной поверхности для конструкционных сталей невысокой и средней твердости составляет 2,5 мкм. Поэтому до обкатки исходная шероховатость поверхности деталей, полученная после получистового точения, выбрана равной Ra 1,25 ... 5 мкм мкм.
Для партии цилиндрических деталей диаметром 10 мм из стали ст45 проведена поперечная обкатка с разными значениями относительного обжатия за два оборота заготовки. Результаты измерения шероховатости показаны на рисунке 4.16.
Поперечная обкатка позволяет существенно снизить шероховатость поверхности деталей. Это объяснится тем, что в отличии от локальных способов упрочнения при поперечной обкатке очаг деформации распространен на всю протяженность образующей линии цилиндра. Это дает более благоприятное условие выглаживания микронеровностей в направлении оси цилиндра. При увеличении величины обжатия силы прижима плитами на обрабатываемую поверхность также увеличиваются. Зависимость шероховатости поверхности от величины относительного обжатия качественно одинакова для деталей из различных материалов.
При увеличении относительного обжатия шероховатость уменьшается, а при определённой его величины изменение шероховатости прекращается. Это можно объяснить тем, что при малых обжатиях плиты контактируют с обрабатываемой поверхностью по вершинам неровностей, опорная площадь которых мала. Вследствие этого на поверхности контакта развиваются значительные давления, превышающие предел текучести материала и вызывающие интенсивную пластическую деформацию неровностей. По мере роста относительного обжатия увеличивается глубина внедрения плит и растёт площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. Причем при пластической деформации поверхностный слой металла значительно упрочняется, что увеличивает сопротивление поверхности пластической деформации. Поэтому уменьшение шероховатости с увеличением относительного обжатия замедляется. При определённых значениях относительного обжатия исходные неровности полностью сглаживаются и образуется минимальная шероховатость, обусловленная самим процессом поперечной обкаткой плоскими плитами.
Масляные микрокарманы. При работе сопряженных деталей возникают и развиваются процессы разрушения: трение, износ, схватывание под влиянием механических и электрохимических воздействий среды на материал трущихся пар. Существенное влияние на износостойкость деталей, безотказность и долговечность трибосопряжений оказывают не только физико-механические параметры поверхности, но и структура поверхностного слоя и условия смазки. Многолетний опыт работы по исследованию процесса взаимодействия трущихся пар привел к выводу [52; 53; 65; 114], что необходимо не только снижать шероховатость трущихся поверхностей, но и повышать их маслоемкость. Поверхность с большими по высоте неровностями удерживает достаточное количество масла, но ее способность воспринимать нагрузки незначительна: мала фактическая площадь контакта; возникают большие удельные давления, поверхность сильно изнашивается. Если же на поверхности много неровностей, но высота их мала, то наоборот, несущая способность велика, смазки удерживается мало, т. к. масляные карманы малы, и в результате снова ускоренный износ. Решением данной проблемы явилось создание на относительно ровных поверхностях трения частично-регулярного или регулярного микрорельефа, т.е. микрокарманов для размещения дополнительной смазки.
Исследования Ю.Г. Шнейдера [110] показали, что у поверхностей, обладающих одинаковой шероховатостью Ra, но имеющих большую маслоемкость, износостойкость увеличивается в 3...6 раз, период приработки сопряжений уменьшается в 1,5...3 раза, снижается уровень шума и повышается плавность хода сопряженных деталей. Одним из наиболее перспективных направлений повышения износостойкости деталей является пластическое деформирование поверхности с возможностью формирования микрокарманов для накопления смазки.
Анализ профилограмм, представленных на рисунке 4.17, показывает, что обработанные поперечной обкаткой заготовки имеют масляные карманы с большим шагом и с большой высотой, а также расположенную между ними шероховатость с малым шагом и меньшей высотой. Масляные карманы представляют собой впадины от исходной шероховатости, а шероховатость между масляными карманами образуется в результате упругопластической осадки вершин исходной микронеровности. Таким образом, в процессе поперечной обкатки создается поверхность с выровненными по высоте микронеровностями. При этом не нарушается и созданный на предыдушем переходе микрорельеф масляных карманов. Такой микрорельеф поверхности деталей, работающих в условиях интенсивного трения, благоприятно влияет на их маслоудерживающую способность, повышает сопротивление износу и задиру, обеспечивает хорошую прирабатываемость и высокую износостойкость.
При поперечной обкатке партии деталей с исходной шероховатостью Ra=5 мкм шероховатость упрочненных деталей резко уменьшается с увеличением числа их оборотов (рисунок 4.18). Каждый последующий оборот заготовки способствует сглаживанию микрорельефа, полученного на предыдущем обороте. В основном шероховатость значительно уменьшается во время первых оборотов заготовки. С увеличением числа оборотов n шероховатость уменьшается, но в меньшей степени, так как повторные обороты заготовки проводятся уже по сглаженной и упрочненной поверхности. При числе оборотов больше оптимального значения уменьшение шероховатости прекращается. В зависимости от требуемой шероховатости можно назначать необходимое минимальное число оборотов заготовки.
Шероховатость упрочненной поверхности зависит так же от исходной шероховатости заготовки. Для трех партий деталей из стали Ст45 с разной исходной шероховатостью была проведена поперечная обкатка с относительным обжатием Q=1%. Установлено, что для каждой исходной шероховатости существует рациональное значение числа оборотов заготовки. До данного значения шероховатость уменьшается, достигая минимума, а затем в незначительной степени уменьшается (рисунок 4.19). Путем увеличения числа оборотов заготовки можно получить чистую поверхность с шероховатостью Ra=0,12 мкм из грубой поверхности с исходной шероховатостью Ra=5 мкм. Рациональная исходная шероховатость составляет Ra 2,5 мкм, при данной шероховатости после 5 оборотов заготовки шероховатость снижается от шестого до девятого класса.
С одинаковым относительным обжатием Q=1% получаемая шероховатость трех партий цилиндрических деталей, изготовленных из различных материалов, показана на рисунке 4.20. Исходная шероховатость всех деталей после обработки резанием составляла около Ra=2,5 мкм. Для цветных сплавов с меньшим пределом текучести получается наилучшая чистота поверхности, так как для них рабочее давление легче обеспечивает полное смятие исходных неровностей. За два оборота заготовки параметр высоты неровности Ra уменьшается почти в 17 раз
Сопоставление качества поверхностного слоя валов упрочненных поперечной обкаткой, локальным способом и охватывающим ППД
Среди отделочно-упрочняющих процессов поверхностным деформированием широкое распространение получили локальные способы (обкаттывание роликом, шариком, диском на токарных станках). Данные способы упрочнения ППД имеют и свои недостатки. При упрочнении локальными способами требуются сравнительно большие контактные давления, что может вызывать отклонение от цилиндричности, появление конусности, овальности и других дефектов, например, на конце шейки вала образуется наплыв. Эти причины затрудняют использование известных способов ППД для изготовления длинномерных валов, осей и других цилиндрических деталей малой жесткости. Для упрочнения таких деталей целесообразно использовать способы охватывающего деформированием и поперечной обкатки плоскими плитами. Эти способы отличаются друг от друга кинематической схемой и использованным оборудованием. В данном разделе приведены характеристики качества поверхностного слоя деталей, упроченных вышеперечисленными способами.
Кинематики трех способов ППД частично рассмотрены в главе 1 и 2. На рисунке 5.1 показаны три схемы поверхностного пластического деформирования.
В процессе обкатывания локальным индентором заготовка вращается, а деформирующий инструмент (ролик), находящийся в контакте с обрабатываемой поверхностью вместе с обкатным приспособлением имеет продольную подачу. Благодаря самоустанавливаемости ролика во время обкатывания обеспечивается его свободное вращение при тренин качения между роликом и деталью (рисунок 5.1а).
При обработке длинномерных валов более эффективным оказывается другая кинематическая схема упрочнения. При этом заготовка не вращается, а перемещается вдоль своей оси через жесткую матрицу. Высокий эффект упрочнение в сочетании с высокой производительностью получается благодаря схеме осесим-метричного нагружения на ограниченном участке изделия (рисунок 5.1б).
Для упрочняющей обработки небольших деталей типа валов и осей малой жесткости, а также коротких цилиндрических деталей типа пальцев и втулок целесообразно использовать ППД поперечной обкаткой плоскими плитами. Заготовка при входе в зону обкатки самоустанавливается между плитами с помощью элемента базирования-пластины (см. рисунок 2.4). Затем она перемещается силой трения с подвижной плитой, при этом плиты обжимает заготовку на величину абсолютного обжатия. Особенность данной схемы обработки заключается в том, что упрочняемые заготовки получают вращение и обкатываются без закрепления в центрах (рисунок 5.1в).
Для сопоставления качества поверхностного слоя упрочненных деталей исследование выполняли на цилиндрических образцах диаметром 20 мм, изготовленных из стали Ст45. Абсолютное обжатие для всех способов упрочнения приняли равным 0,2 мм, что соответствовало степени относительного обжатия Q=2%.
Обкатывание проводили на токарном станке 1К62 цилиндрическом роликом из стали У10А, диаметром 30 мм с радиусом профиля r=5мм. Охватывающее ППД выполняли на калибровочном станке с использованием матрицы из стали У10А с рабочим углом матрицы 2=16о. Поперечную обкатку плоскими плитами выполнили на плоскообкатном станке, представленном в главе 4.
Шероховатость упрочненных деталей. Для достижения наилучшей шероховатости режимы у всех видов обработки выбраны в соответствии с оптимальными значениями для получения минимальной шероховатости поверхности. На токарном станке режимы обкатывания: подача S = 0,21 мм/об, частота вращения заготовки n = 125 об/мин. Охватывающее ППД выполняли со скоростью V= 2 мм/с. Поперечную обкатку проводили за 4 оборота заготовки со скоростью подвижной плиты 1,5 м/мин.
По результатам измерения (рисунок 5.2) наилучшая шероховатость получена при поперечной обкатке плоскими плитами. Обкатанные детали имеют шероховатость в 6-7 раз меньше, чем шероховатость у деталей, упрочненных другими способами. Низкая шероховатость поверхности деталей при поперечной обкатке связана с двумя причинами. С одной стороны, благоприятное условие контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, а с другой – многократное действие плит на поверхностный слой. Легкое достижение низкой шероховатость является главной особенностью поперечной обкатки по сравнению с другими способами ППД.
Микрострукт ура. Фотоснимки микроструктуры образцов после обработки упрочненных деталей представлены в таблице 5.1. Все три способа обработки ППД способствуют благоприятному изменению микроструктуры в поверхностном слое. Это отражается измельчением исходной структуры, повышением однородности зерен и более равномерной текстурой материала поверхностного слоя. При этом особенности деформирования зерен каждого способа существенно отличаются друг от друга. После обработки охватывающим ППД и обкатыванием роликом зерна вытягиваются в продольном направлении более интенсивно, чем в поперечном. Это можно объяснить продольным перемещением инструмента относительно заготовки.
В процессе охватывающего ППД и обкатывания роликом в необработанной поверхности заготовки перед инструментом всегда формируется волна выдавливаемого металла. Эта волна непрерывно оказывает сопротивление относительному перемещению материала между инструментом и заготовкой в продольном направлении. Из-за этого от инструмента возникает значительное продольное усилие, которое, действительно, вызывает деформирование зерен вдоль оси заготовки. Кинематика поперечной обкатки плоскими плитами практически не дает возможности формирования волны вдоль оси заготовки, а в тангенциальном направлении, при поперечной обкатке плоскими плитами зерна в большей мере получают ориентацию в поперечном направлении.