Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления современных методов уп рочнения рабочих поверхностей режущих инструментов из высокоуглеродистых инструментальных сталей 11
1.1 Поверхностный слой и его влияние на работоспособность, и надежность режущего инструмента 11
1.2 Сопоставительный анализ современных методов обработки рабочих поверхностей инструментов и деталей, выбор материала для изготовления режущего инструмента 18
1.3 Особенности организации и управления процессом ЭМО стальных заготовок, структура белого слоя 37
Глава 2. Технологическое оборудование, оснастка и инструмент для ЭМО режущих кромок лезвийного инструмента 47
2.1 Разработка технологического комплекса для ЭМО плоских ножей 47
2.2 Разработка инструментального приспособления для ЭМО плоских поверхностей 56
2.3 Обоснование выбора формы и материала электрод-инструмента 64
Глава 3. Формирование структуры и механических свойств режущей кромки лезвийного инструмента 82
3.1 Методики исследований свойств упрочненного слоя 90
3.2 Влияние химического состава и свойств материала изделия на структуру упрочненного слоя высокоуглеродистой стали 96
3.3 Влияние режимов упрочнения на твердость, ширину и глубину упрочненного слоя кромки лезвийного инструмента 106
3.4 Исследование износостойкости высокоуглеродистых инструментальных сталей и режущей стойкости плоских ножей 116
Глава 4. Выбор рациональных технологических режимов ЭМО режущей кромки плоских ножей 122
4.1 Использование импульсной модели формирования белого слоя при ЭМО плоских поверхностей 122
4.2 Обоснование выбора технологических режимов ЭМО лезвийных инструментов на основе комплекса математиче ских моделей 127
Общие выводы 140
Список использованных источников 142
- Сопоставительный анализ современных методов обработки рабочих поверхностей инструментов и деталей, выбор материала для изготовления режущего инструмента
- Разработка инструментального приспособления для ЭМО плоских поверхностей
- Влияние химического состава и свойств материала изделия на структуру упрочненного слоя высокоуглеродистой стали
- Обоснование выбора технологических режимов ЭМО лезвийных инструментов на основе комплекса математиче ских моделей
Введение к работе
Основной задачей современного машиностроения является создание конкурентоспособной продукции, постановка на производство новых поколений высокопроизводительной техники. Успешному решению этой проблемы способствуют исследования, связанные с разработкой технологических процессов, позволяющих целенаправленно формировать поверхностные слои с заранее заданными свойствами.
Широкое использование лезвийного инструмента в кожевенной, меховой, бумажно-целюлозной, деревобрабаты-вающей, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности ставит задачи по повышению его износостойкости.
Однако использование сложнолегированных сталей существенно повышает стоимость инструмента и, в конечном итоге, продукции, что существенно снижает ее конкурентоспособность.
Применение высокоэнергетических методов поверхностного упрочнения (лазерное, плазменное, ионная имплантация и др.) рабочего профиля режущих кромок инструмента позволяет использовать инструментальные углеродистые стали.
Несмотря на это, в настоящее время перечисленные методы используются весьма ограниченно (в основном из-за высокой стоимости оборудования, сложности технологических процессов).
Основными методами упрочнения лезвийного инструмента остаются объемная закалка и закалка с нагревом ТВЧ, которые сопряжены с короблением рабочего профиля инструмента, возникновением термических напряжений, необходимостью последующих чистовых обработок (что так же повышает себестоимость инструмента) и другими недостатками.
Поэтому необходимо разрабатывать технологические процессы упрочнения лезвийного инструмента, изготовленного из инструментальных легированных сталей.
В этой связи, в последнее время большую актуальность получают работы, направленные на создание, изучение, совершенствование и практическое внедрение технологических методов поверхностного упрочнения лезвийного инструмента от традиционной термической и химико-термической обработок до методов, использующих последние достижения науки и техники - лазерную энергию и энергию плазмы.
Упрочнение с формированием белого слоя оказывается весьма эффективным применительно к углеродистым инструментальным сталям. Повышение служебных свойств упрочненного инструмента позволяет в ряде случаев осуществлять замену дорогостоящих сложнолегированных сталей на углеродистые, что позволяет снизить стоимость инструмента, а, следовательно, и продукции, без снижения срока эксплуатации инструмента, а также осуществить экономию редких легирующих элементов.
Одним из таких методов является электромеханическая обработка (ЭМО) [1-7]. Она основана на термическом и силовом воздействии и существенно изменяет физико- механические показатели поверхностного слоя деталей, позволяя резко повысить их режущую стойкость, предел выносливости и другие эксплуатационные характеристики.
Преимуществами ЭМО являются простота технологического оборудования и оснастки; использование в качестве источника высококонцентрированной энергии электрического тока, высокий КПД, возможность целенаправленного регулирования в широких пределах параметров технологического процесса упрочнения.
В то же время недостаточно изучены вопросы формирования белых слоев значительной толщины на заготовках малого объема в условиях ограниченного теплоотвода, что затрудняет применение данного метода для более широкого круга изделий, в частности, для лезвийного инструмента. Перечисленное усложняет выбор режимов ЭМО при формировании картины упрочнения поверхностного слоя переменным током.
В этой связи актуальной, как с научной, так и с практической точек зрения является задача разработки технологического процесса ЭМО, и обоснование рациональных режимов обработки для упрочнения лезвийного инструмента.
На основании анализа современного состояния рассмотренных выше вопросов были сформулированы цель и основные задачи настоящего исследования.
Целью настоящей работы является создание научно обоснованного метода формирования режущих кромок пло- ских ножей высокой режущей стойкости с использованием электромеханической обработки (ЭМО).
Для достижения этой цели были сформулированы следующие основные задачи: исследование кинетики формирования белого слоя большой толщины в условиях ограниченного те-плоотвода оценка влияния основных режимов ЭМО на структуру и механические свойства белого слоя на высокоуглеродистых инструментальных сталях разработка технологического оборудования, оснастки для ЭМО плоских ножей. Выбор и обоснование геометрии рабочего профиля и обоснование выбора материала электрод-инструмента. оценка износостойкости высокоуглеродистых инструментальных сталей, упрочненных ЭМО и режущей стойкости лезвийного инструмента разработка методов расчета конструктивных и технологических параметров ЭМО, обеспечивающих формирование на режущих кромках лезвийного инструмента сплошной полосы белого слоя заданной толщины. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 112 наименований, содержит 160 страниц машинописного текста, 31 рисунок и 12 таблиц. В конце каждой главы даются краткие выводы по результатам проведенных исследований.
Первая глава посвящена обзору известных отечественных и зарубежных исследований по проблеме рассматриваемой в диссертации. Показана роль поверхностного слоя в обеспечении надежности и долговечности. Рассмотрены вопросы практического использования технологии ЭМО и влияние ЭМО на формирование структуры и комплекса физико-механических свойств поверхностных слоев материалов.
Во второй главе описаны методики, оборудование и режимы ЭМО. Разработана конструкция инструментального приспособления, для реализации ЭМО плоских поверхностей на вертикально-фрезерном станке.
Третья глава посвящена исследованию закономерностей формирования основных параметров и характеристик поверхностных слоев сталей в зависимости от режимов ЭМО, обрабатываемого материала и т.д. Приведены методики оценки структуры и комплекса механических свойств поверхностных слоев, исследуемых сталей после ЭМО. Разработана технология формирования режущих кромок лезвийного инструмента электромеханической обработкой.
В четвертой главе предложена методика выбора, в рамках разработанной импульсной модели, режимов ЭМО, с обоснованием на основе комплекса математических моделей Багмутова В.П., Захарова И.Н. и экспериментальных данных.
В заключении представлены обобщенные результаты проведенных исследований и рекомендации по применению ЭМО для повышения триботехнических характеристик по- верхностного слоя при различных видах трения и изнашивания.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Полозенко Н.Ю., Свитачев А.Ю., Дудкина Н.Г. Исследование свойств среднеуглеродистых сталей после электромеханической обработки // Новые промышленные техника и технологии. Компьютерное обеспечение и компьютерные технологии: Тез. докл. 1 межвуз. н.-пр. конф. студ. и м. ученых - Волгоград, 1994. с. 15-16.
Дудкина Н.Г., Федоров А.В., Иванова Н.Ю. Анализ закономерности рассеяния энергии в конструкционных сталях, подвергнутых электромеханической обработке // Демпфирующие материалы: Матер. 7-й рос. науч.-техн. конф. /Вят. гос. техн. ун-т.- Киров, 1994.- с.58-59.
Федоров А.В., Дудкина Н.Г., Иванова Н.Ю. Анализ закономерности рассеяния энергии в конструкционных сталей после электромеханической обработки // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: Сб. тез. докл. 3 междунар. конф., 15-17 марта 1994/ Воронеж, гос. техн. ун-т. - Воронеж, 1994. - с.39.
Дудкина Н.Г., Полозенко Н.Ю., Свитачев А.Ю. Исследование свойств среднеуглеродистых сталей после электромеханической обработки // Сборник научных статей студентов и молодых ученых Волгоградской области: (по итогам 1 межвуз. н.-пр. конф.) - Волгоград, 1995. - ч.1 -с.24-28.
Дудкина Н.Г., Федоров А.В., Полозенко Н.Ю. Кинетика макро- и микропластической деформации при электромеханическом упрочнении конструкционных среднеуг-леродистых сталей // Физика прочности и пластичности материалов: Тез. докл. 14 междун. конф., 27-30 июня 1995 г. / Самар. ГТУ.- Самара, 1995.- с. 265.
Способ определения предела текучести материалов: Пат. 2079832 РФ, МКИ 6 G 01 № 3/42 / Федоров А.В., Дудкина Н.Г., Полозенко Н.Ю.; ВолгГТУ. - 1997
Полозенко Н.Ю. Электромеханическое упрочнение плоских поверхностей изделий с ограниченным теплоотво-дом // V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тезисы докладов / Волгоград гос. техн. ун-т; редкол.: В. И. Лысак (отв. ред.) и др. - Волгоград, 2001.- 300 с. - с.136-138.
Паршев С.Н., Полозенко Н.Ю. Структура и свойства конструкционных сталей с модифицированным поверхностным слоем // Слоистые композиционные материа-лы-2001: Тезисы докладов международной конференции / Волгоград, 24-28 сентября 2001 г. - 346 с. - с. 182-183.
Полозенко Н.Ю., Багмутов В.П., Паршев С.Н. Электромеханическое упрочнение плоских поверхностей изделий с ограниченным теплоотводом // V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тезисы докладов / Волгоград гос. техн. ун-т; редкол.: В. И. Лысак (отв. ред.) и др. - Волгоград, 2001.- 300 с. -с.136-138.
Багмутов В.П., Полозенко Н.Ю., Захаров И.Н. Сопоставление температурных полей, возникающих в поверхностном слое стальной детали при электромеханической обработке в зависимости от содержания углерода / Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Материалы всероссийской конференции, г. Камышин, 24-27 апрель 2002 г. - Волгоград, 2002 - с.94-95.
Паршев С.Н., Полозенко Н.Ю., Дудкина Ю.М. Технология электромеханического упрочнения лезвийного инструмента из высокоуглеродистых сталей / Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Материалы всероссийской конференции, г. Камышин, 24-27 апрель 2002 г. - Волгоград, 2002 - с.112-113.
Паршев С.Н., Полозенко Н.Ю. Способ комбинированного упрочнения поверхностей деталей (решение о выдаче патента РФ на изобретение от 10.09.2002). Заявка 2001110450/02 (010939) опубликована в БИ № 4 10.02.2003 с. 53.
Основные положения диссертационной работы и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: ВолгГТУ в 1994-2003 гг.; «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (г. Воронеж, 1994 г.); «Демпфирующие материалы» (г. Киров, 1994 г.); 14-ая международная конференция (г. Самара 1995 г.); «Слоистые композиционные материалы-2001»: международная конференция (Волгоград, 2001 г.), «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин 2002 г.)
Сопоставительный анализ современных методов обработки рабочих поверхностей инструментов и деталей, выбор материала для изготовления режущего инструмента
В машиностроении используют различные технологические методы обеспечения заданных параметров поверхностного слоя деталей и инструментов с учетом заданных условий их эксплуатации.
Известно много традиционных способов создания поверхностных слоев (нанесением и модифицированием) с целью повышения служебных свойств деталей машин и инструментов. Наиболее широкое применение нашли методы поверхностной закалки, различные химико-термические спосо бы обработки (цементация, азотирование, борирование и т.п.), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т.д. Возможности этих методов в значительной мере уже исчерпаны. В связи с этим в последнее время интенсивно расширяется применение новых технологий упрочнения деталей, основанных на воздействии на их поверхность концентрированных потоков высокоэнергетических квантов и более крупных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров) [71].
Отметим, что разнообразие протекающих при упрочнении материалов концентрированными потоками энергии физических процессов и явлений, а также комплексность большинства методов затрудняют осуществление единой классификации, однозначно определяющей положение каждого метода в ряду других и их взаимосвязь [18]. Достаточно полной и наиболее рациональной представляется классификация, согласно которой известные технологии поверхностного упрочнения КПЭ условно можно разделить на три основных класса по характеру и результату их воздействия на материал (таблица 1.1) [15].1 класс — с образованием пленки на поверхности. К данному классу относятся процессы, реализующие два метода упрочнения - осаждение твердых осадков из паров и нанесение износостойких соединений: электроискровое легирование [47], катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление [81, 94].2 класс — с изменением химического состава поверхно стного слоя. Вообще говоря, к этому классу относятся все процессы химико-термической обработки, основанные на диффузионном насыщении упрочняемой поверхности раз личными химическими элементами (нитроцементация, азо тирование, борирование и т.д.)- Из технологий же, исполь зующих воздействие КПЭ, здесь укажем легирование ма ломощными пучками ионов. 3 класс - с изменением структуры поверхностного слоя. В рамках данного наиболее обширного класса можно выделить сразу несколько основных методов обработки: а) физико-термические методы - лазерная [94], элек тронно-лучевая [93], ионно-лучевая обработка [81], плаз менная закалка, поверхностная закалка кислородно ацетиленовым пламенем; б) электрофизические методы - электромеханическая (электроконтактная) обработка [1-7], электрогидроимпульс ная (электровзрывная) обработка [27], ультразвуковая обра ботка [97]; в) механические методы - вибрационно-ударная, дро беструйная, гидроабразивная обработка, фрикционно упрочняющая обработка, шлифовально-упрочняющая обра ботка, специальное точение [8, 9], упрочнение взрывом [19]; г) наплавка легированным металлом - газовым пламенем, электрической дугой, плазмой [93], лазерным лучом [94], пучком ионов,электроконтактным способом. сферах различных паров и газов; в среде с поверхностно-активными или абразивными свойствами; в магнитном, электрическом или гравитационном поле и т.д. Внешние условия характеризуют специфические особенности технологического процесса, при которых осуществляется данный метод упрочнения. При этом поиск новых сочетаний различных условий открывает перспективу дальнейшего развития методов упрочнения металлов и повышения их эффективности [15]. Каковы бы не были технологические основы того или другого способа упрочнения КПЭ, практически все эти методы характеризуются рядом общих особенностей, а именно: а) интенсивным тепловым воздействием мощных энер гетических потоков на локальные объемы металла; б) высокоскоростным нагревом, как правило, в области критических температур фазовых превращений; в) одновременными пластическими деформациями, вы званными как внутренними температурными и структурны ми напряжениями, так и, в некоторых случаях, внешними контактными давлениями; г) сверхбыстрым охлаждением за счет отвода тепла вглубь основного металла. Для стальных и чугунных заготовок столь специфические условия становятся причиной возникновения в обрабатываемой поверхности во многом уникальной мартенситнои структуры, получившей название гарденит [77] или белый слой [8]. При этом высокая дисперсность белых слоев, значительная искаженность и неоднородность их кристаллического строения, наличие в структуре карбидов, нитридов и оксидов, а также изменение в результате действия больших температур и давлений электронного строения и химических связей отдельных фаз обуславливают возможность получения весьма ценных физико-механических, электрохимических, коррозионных и эксплуатационных характеристик материала, упрочненного рассматриваемыми способами. Очевидно, что экстремальные условия энергетического воздействия, присущие методам упрочнения КПЭ, существенно влияют на формирование структуры, физико-механических свойств и напряженного состояния стальных изделий. Сложность изучения подобных процессов усугубляется разнообразием форм импульсов энергии, значительным отклонением условий обработки поверхности твердого тела от состояния термодинамического равновесия, многообразием и одновременностью протекания большого числа физических и химических явлений, возникновением существенных внутренних напряжений, вызываемых действием градиентов температур. Таким образом, описание и управление столь сложными процессами формирования структуры и напряженного состояния и свойств, влияния КПЭ на работоспособность изделий в различных условиях основано на комплексе целенаправленных теоретических и
Разработка инструментального приспособления для ЭМО плоских поверхностей
Инструментальное приспособление необходимо для осуществления контакта электрод-инструмента с обрабатываемой поверхностью, а в ряде случаев и для подвода электрического тока к инструменту.
При чистовых операциях ЭМО необходимо производить регулирование давления инструмента. Регулирование может осуществляться самими державками при помощи плоских пружин, спиральных пружин, а также пневматических и гидравлических устройств.
К недостаткам последних двух типов относится сложность изготовления узла скользящей пары, где должно быть гарантировано сохранение постоянства зазора в условиях работы деталей при повышенных температурах.
Преимуществом державок на основе плоских пружин является их меньшая чувствительность к температурным воздействиям.
Державка с одно-петлевыми плоскими пружинами. Державку с вертикальным креплением пластины удобно применять при ЭМО ступенчатых валов; при этой конструкции представляется возможность несколько раз использовать контактную поверхность пластины за счет вертикального периодического ее перемещения относительно оси центров станка.дежность при длительной эксплуатации. Заточка и доводка твердосплавных пластин может производится при помощи несложных приспособлений к обычным заточным станкам. Недостатками державок с плоскими пружинами являются:1) Наличие высоких требований к точности формы заготовки (бочкообразность и т.д.) и ее установке (биения и т.д.)2) Высокая жесткость конструкции, не позволяющая в широких пределах варьировать давление на заготовку.
Конструкция державки с роликовой пластиной дает возможность периодически поворачивать ролик по мере износа контактной поверхности и таким образом в десятки раз увеличить общую стойкость инструмента. Этот тип инструмента особенно эффективен в условиях серийного упрочнения и восстановления деталей. В качестве пластин для роликов могут быть использованы стандартные твердосплавные ролики (ГОСТ 2209-69, форма 4003).
Преимуществом неподвижного инструмента является возможность получения высоких классов шероховатости поверхности при отсутствии волнистости, которая характерна для державок с вращающимися роликами. Преимущество ролика по сравнению с плоской пластиной состоит в том, что он обладает большой массой и гарантирует большую стабильность рабочего профиля. К недостаткам неподвижного инструмента относится его сравнительно небольшая стойкость.
Преимуществом вращающегося ролика является высокая стойкость, возможность упрочнения деталей на большую глубину.
При одинаковых режимах ЭМО глубина упрочненного слоя выше при сглаживании неподвижным инструментом, так как в этом случае имеет место трение скольжения, что приводит к образованию завихренной текстуры поверхностного слоя и более интенсивному измельчению его структуры.
Державка со спиральной пружиной конструкции Ленинградской лесотехнической академии (рис.2.8) предназначена для ЭМО роликовым инструментом.В основе конструкции лежит динамометрический корпус с тарированной спиральной пружиной.Рис. 2.8.Преимуществами державок со спиральными пружинами являются:1) Возможность более плавного регулирования усилия прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности2) Возможность использования одного и того же приспособления для различного инструмента (одно-роликового и 2-х роликового).
Для упрочнения плоских поверхностей разработана конструкция инструментального приспособления, представленная на рис. 2.9. Она позволяет производить электромеханическую обработку плоскостей на вертикально-фрезерном станке типа 6Р12В.с помощью пружины, сжимаемой при подъеме стола станка.
Влияние химического состава и свойств материала изделия на структуру упрочненного слоя высокоуглеродистой стали
Микроструктура белых слоев, полученных исследуемыми методами обработки сталей и чугунов, состоит из мелкоигольчатого мартенсита, остаточного аустенита и в большинстве случаев весьма дисперсных карбидов. В доэв-тектоидных сталях (40Х, 45) дисперсность структуры белого слоя меньше, в эвтектоидных и заэвтектоидных (У8, 9Х, ШХ15), а также легированных элементами, способствующими размельчению мартенсита (40ХН), дисперсность больше. Величина карбидов в белом слое в 2-3 раза меньше, чем в стали после обычной закалки с низким отпуском и находит ся в пределах 10-25 нм. Легирование стали небольшим количеством хрома (0,7-2,5%) способствует измельчению структуры белого слоя и препятствует коагуляции в них карбидов при старении или отпуске до температур 750-850 К (ШХ15). Размер зерна (средний условный диаметр) аустенита белого слоя не превышает 2-3 мкм (14 балл), что на порядок меньше зерна аустенита обычной закалки.
Количество остаточного аустенита в белых слоях значительно больше, чем в структуре обычной закалки. Оно зависит от содержания в стали углерода и метода получения белого слоя. Повышение содержания углерода в исходной стали независимо от ее структурного состояния приводит к увеличению содержания остаточного аустенита в белом слое. Характер распределения остаточного аустенита по глубине белого слоя аналогичен распределению углерода. Максимальное его содержание наблюдается в поверхностных слоях и уменьшается по глубине. В зоне повышенной травимости он отсутствует.
Характер взаимодействия исходной структуры материала с комплексом силовых и температурных условий, возникающих при том или ином виде упрочняющей обработки, оказывает существенное влияние на параметры упрочнения поверхностного слоя материала. Влияние структуры материала на параметры упрочнения поверхностного слоя в конце концов проявляется в поведении материалов как при статических, так и при циклических условиях нагружения.
По мере увеличения содержания углерода в сплаве степень поверхностного упрочнения растет. ЭМО армко-железа и стали У8 характеризуется, соответственно, относительным увеличением поверхностной твердости на 101 и 415 % , т.е. с увеличением содержания углерода, в сплаве повышается более чем в четыре раза (см. рис. 3.2). глубину упрочненного слоя и его физико-механические характеристики. Как показывают результаты экспериментов, глубина формирования белого слоя при ЭМО в основном определяется силой выглаживания, скоростью обработки и величиной тока. На рис.3.3 представлен график зависимости глубины белого слоя от силы тока (Р=200 Н; V=100MM/C). ИЗ рассмотрения графика видно, что формирование белого слоя на поверхности образца происходит лишь при подводе определенного количества энергии, необходимой для осуществления фазовых превращений. При дальнейшем увеличении силы тока, и следовательно, количества подводимой энергии глубина бе лого слоя непрерывно возрастает по зависимости близкой к линейной, что связано с проникновением вглубь металла тепловой энергии и созданием условий протекания фазовых превращений в более глубоком объеме в приповерхностных слоях материала.
Оценка прочностных свойств поверхностного слоя, упрочненного ЭМО, производилась путем замера микротвердости по глубине упрочненного слоя на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 100 гс. На рис.3.4 показано распределение значений микротвердости по глубине поверхностного слоя. Как видно из представленного графика, особенностью белого слоя, полученного ЭМО, является постоянство значений микротвердости по всей глубине с последующим резким уменьшением твердости в переходной зоне до исходных значений. Это объясняется, очевидно, существованием длякаждого материала критического значения температуры, при которой может происходить формирование белого слоя.одной из важнейших механических характеристик, определяющих эксплуатационную надежность деталей машин и конструкций, работающих при циклических нагрузках. Существенная роль в процессе усталостного разрушения отводится поверхностному слою материала, в связи с чем упрочняющая обработка поверхности способна в значительной мере увеличить усталостную прочность материала.
Исходное структурное состояние материала, определяемое режимами термической обработки, оказывает существенное влияние на усталостную прочность образцов, уп рочненных ЭМО. Так, ЭМО образцов, прошедших закалку с высоким отпуском, приводит к увеличению предела выносливости (в данном случае более чем на 30%). По мере снижения температуры отпуска эффективность повышения усталостной прочности в результате ЭМО снижается, и для стали У8А, закаленной с последующим отпуском от 500С, повышение предела выносливости составляет только около 8%. Для низкоотпущенной стали ЭМО не только не ведет к увеличению предела выносливости, но и снижает его по сравнению с неупрочненным материалом.
Таким образом, при ЭМО закаленной высокоуглеродистой стали большое влияние на предел выносливости оказывает температура отпуска материала, снижение которой уменьшает положительный эффект ЭМО с точки зрения усталостной прочности, а в некоторых случаях ведет к отрицательному результату.
В результате ЭМО на поверхности образцов формируется белый слой. Металлографические исследования упрочненного слоя показывают, что в отличие от нормализованной стали, когда на определенной глубине структура белого слоя резко переходит в структуру исходного материала, у закаленной стали в зависимости от температуры отпуска в большей или меньшей степени проявляется приповерхностная зона повышенной травимости, представляющая собой область разупрочненного материала, что подтверждается результатами измерения микротвердости по глубине поверхностного слоя образцов, представленными на рис 3.5.
Обоснование выбора технологических режимов ЭМО лезвийных инструментов на основе комплекса математиче ских моделей
Использование в исследовательских и практических целях методов поверхностного упрочнения, характеризующихся интенсивным воздействием на материал концентрированных потоков энергии, является обширной научной отраслью, в изучении которой необходимо приложение многих разделов современного естествознания (электро- и теплофизики, физики твердого тела, механики и других)[14-26]. Не вызывает сомнений, что в данном динамично развивающемся направлении будет продолжаться рост как теоретических исследований, так и прикладных применений рассматриваемых технологий в промышленности. При этом отметим, что совокупность явлений и физических эффектов, имеющих место при воздействии различных КПЭ, и свойства материалов, полученных в результате такого рода воздействий, изучены еще недостаточно подробно, несмотря на большое число публикаций по частным вопросам и попыткам построения полных теорий [3, 9, 21]. Поэтому для процессов в данном энергетическом диапазоне вполне возможно ожидать обнаружения неизвестных физических эффектов, что и подтверждается исследованиями последних лет [38].
Воздействие высокоэнергетических источников на поверхность стали сопровождается сложным комплексом взаимосвязанных физико-химических процессов (рис.4.3) [15], который, в первом приближении, включает в себя:
Тепловые процессы, обусловливающие, в свою очередь, процессы формирования термоупругих напряжений (рис.4.3, связь 1.2), фазовые превращения (1.3), изменения кинетики химических реакций (1.5) и перераспределения углерода и других элементов в материале и на его поверхности (1.4), а также в случае электромеханической обработки сопровождающиеся целым рядом термоэлектрических явлений (1.6), таких как эффекты Пельтье и Томсона.
Изменение напряженно-деформированного состояния материала. При этом пластическая деформация изменяет фазовый состав и зеренную структуру металла (2.3), то есть может наблюдаться измельчение, восстановление (рекристаллизация) зерна, появляется преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен - текстура материала [12]. Высокая степень неоднородности напряженного состояния, характерная для рассматриваемых методов воздействия, является причиной интенсивного диффузионного перемещения атомов, направленного к «выравниванию» напряженного состояния (2.4) [15]. Кроме того, процесс формирования напряженно-деформированного состояния сопровождается выделением некоторого количества теплоты от механической работы.
Структурные и фазовые превращения, сопровождающиеся изменением растворимости углерода (рис.4.3, связь 3.4), выделением (поглощением) скрытой теплоты фазового перехода (3.1) и возникновением так называемых фазовых напряжений (3.2), обусловленных отличием удельных объемов существующей и вновь образующейся фаз.
Рис.4.3. Диффузионные процессы, которые непосредственным образом влияют на протекание полиморфных превращений (рис.4.3, связь 4.3) и эволюцию температурного поля (4.1) в материале за счет изменения концентрации фазового перехода и теплофизических характеристик металла. Кроме того, диффузионное перераспределение химических элементов в локальном объеме металла приводит к насыщению его кристаллической решетки атомами того или иного вещества и, как следствие, росту параметра решетки. Рост параметрарешетки в рамках образующейся новой фазы является причиной увеличения ее относительного объема по сравнению с окружающей старой, и имеет смысл говорить, по аналогии с термическими, о концентрационных напряжениях.
Химические реакции образования карбидов, нитридов, оксидов и других соединений, сопровождающиеся изменением электронного строения и химических связей отдельных фаз (5.4) в результате действия высоких температур (1.5), давлений и электролитических процессов (6.5).Электрофизические эффекты. В случае электромеханической обработки в материале и на его поверхности протекает целый ряд термоэлектрических процессов - выделение Джоулева тепла (6.1), эффекты Пельтье, Томсона, Зеебека (1.6), а также электролитические явления.
Как видим, для описания даже наиболее очевидных из протекающих в материале процессов при воздействии КПЭ необходимо создание достаточно сложной самосогласованной модели (как физической, так и математической) формирования, по сути дела, тела с новыми свойствами, в которой, наряду с рассмотрением эволюции температурных полей, учитывались бы и такие взаимосвязанные явления, как возникновение механических напряжений, перераспределение углерода и других химических элементов, различие тепло-физических характеристик сосуществующих фаз, объемные эффекты фазовых превращений [15].
Построение такого комплекса исследований применительно к процессу электромеханического упрочнения в дан ной работе осуществляется в несколько этапов, что позволяет упростить постановку и решение рассматриваемых задач.1-му этапу соответствует изучение эффектов теплового воздействия на материал движущимся концентрированным потоком энергии, изменения теплофизических характеристик металла и развития температурного поля, возникающего в результате такого воздействия.На 2-м этапе производится исследование процесса формирования структуры поверхностного слоя материала, упрочненного ЭМО, на основе решения тепловой задачи и определяются параметры областей с различной структурой и фазовым составом.
Одной из основополагающих в системе физических и математических моделей, описывающих процесс формирования структуры и свойств материала при воздействии на него концентрированных потоков энергии, является математическая модель возникновения и эволюции температурного поля. Важность математического моделирования тепловых процессов в зоне обработки движущимся импульсным источником энергии большой мощности становится тем более очевидной, если учитывать тот факт, что при сверхвысокоскоростном нагреве (десятки и сотни тысяч градусов в секунду), характерном для рассматриваемых методов обработки, экспериментальное определение температурных полей в поверхностных слоях материала известными методами трудно осуществимо.Заметим, что, как и всякая математическая модель, модель возникновения и развития температурного поля форми
