Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1 Поверхностное пластическое деформирование (ППД) как способ упрочняющей обработки 1.1.1 Сущность и назначение методов ППД 11
1.1.2 Параметры состояния поверхностного слоя и их влияние на долговечность деталей
1.1.3. Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением 14
1.1.4 Геометрические аспекты формирования очага деформации 20
1.1.5 Деформированное состояние 29
1.1.6 Напряженное состояние 36
1.1.7 Исчерпание ресурса пластичности металла 38
1.1.8 Остаточные напряжения 41
1.2 Физические основы ультразвуковой техники и технологии 44
1.2.1 Общие сведения об ультразвуковых колебаниях 45
1.2.2 Ультразвуковые преобразователи, концентраторы и волноводы 49
1.2.3 Использование ультразвука в различных технологических областях обработки материалов 57
1.2.3.1 Ультразвуковая сварка и пайка 57
1.2.3.2 Применение ультразвука при механической обработке и поверхностном упрочнении труднообрабатываемых материалов 58
1.2.3.3 Ультразвуковая очистка прецизионных деталей 59
1.2.3.4 Ультразвук в процессах пластического деформирования и влияние ультразвука на процесс пластической деформации59
1.2.3.5 Применение ультразвука при термической и химико- термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука 63
Глава 2. Материалы,оборудование и основные методы исследования физико-мехнических и структурных свойств обрабатываемых материалов . 67
2.1, Характеристика исходных материалов 67
2.2 Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки материалов . 69
2.2.1 Технологическое оборудование для УЗО. 69
2.2.2 Инструменты 70
2.3.3. Волноводы колебательных систем. 71
2.3. Методы исследования 76
2.3.1 Металлография 76
2.3.2 Исследование физико-механических свойств материалов после УЗО. 77
2.3.3 Испытание на износостойкость и определение коэффициента трения после УЗО. 78
2.3.4 Методика определения величины остаточных напряжений после УЗО. 79
2.3.5 Измерение макроскопических остаточных напряжений 81
Глава 3. Исследование технологических закономерностей ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки (уфуо) с целью получения оптимальных геометрических и физико-механических свойств поверхности обрабатываемых материалов . 82
3.1 Сила внедрения сферического индентора (шарика) при динамическом воздействии. 82
3.2. Глубина проникновения пластических деформаций от индентора (шарика). 85
3.3. Работа при пластическом внедрении индентора (шарика). 87
3.4. Динамика ультразвукового упрочнения. 88
3.5. Расчёт динамического усилия (силы удара) на конце 94
ультразвукового инструмента F и времени удара для идеального пластического и упругого удара, а также для упруго-пластического удара. 85
3.6. Влияние технологических параметров УФУО на величину микрогеометрин и мнкротвсрдости поверхности обрабатываемых материалов . 98
3.6.1.Влияние амплитуды на величину микрогеометрии поверхности 98
3.6.2 Влияние статического усилия на микрогеометрию поверхности 99
3.6.2 Влияние материала упрочняемой детали и её диаметра на величину микрогеометрии поверхности. 101
3.6.4 Влияние скорости вращения детали (VMM/МИН) И величины подачи (S мм/об) на микрогеометрию поверхности. 102
3.6.5 Влияние амплитуды колебаний, величины статической нагрузки, окружной скорости и подачи при УЗО на величину микротвердости обрабатываемого материала. 107
3.7. Исследование структуры и физико-механических свойств инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С после ультразвуковой обработки. 110
3.8 резервы повышения физико-механических свойств материалов и изделий после поверхностной упрочняющей обработки. 118
Основные результаты и выводы 121
Список использованной литературы 124
- Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением
- Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки материалов
- Глубина проникновения пластических деформаций от индентора (шарика).
- Влияние технологических параметров УФУО на величину микрогеометрин и мнкротвсрдости поверхности обрабатываемых материалов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т.д.)
В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.
Проблема получения высокопрочных материалов с использованием
различных видов термического и термомеханического воздействия на
протяжении многих лет традиционно является актуальной для
материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет
реализации двух основных направлений: 1. использование
быстрозакал енного метастабильного состояния материала
(микрокристаллические и аморфные сплавы); 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.
В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операций в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет
интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент.Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузокЛрименение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.
Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микро- и макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов
обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.
Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей
операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет
без использования дополнительного специализированного оборудования
f (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому
маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня,
предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется
применение традиционных абразивных материалов - паст, войлока, аб
разивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по срав
нению с традиционными способами финишной обработки металлов
(хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополни
тельном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего
улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность,
контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность.
При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной
поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса.
Увеличение предела выносливости детали после поверхностного
пластического деформирования главным образом зависит от физического
состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины,
величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При
правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие
эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из
і параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение
* поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние
поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов - физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале - с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.
Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на
поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.
Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Стеланенко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А.И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).
Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:
Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.
Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) — амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала.
Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения
провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.
Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.
Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.
Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.
Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины R2) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.
Научная новизна.
Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.
В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО - амплитуды колебаний 2А,
статической нагрузки Рст., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии R2> и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст,, S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Р^, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Ну вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.
Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых У30 материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм.
Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.
Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500С.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.
Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Ну)и геометрических (Rz) свойств обрабатываемой поверхности
от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов. Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2-2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т.е. если до У ЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000. Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4
статьях научной периодической печати и доложены на следующих
международных конференциях:
- Международная конференция "Новые перспективные материалы и
технологии их получения -2004"(г. Волгоград);
Международный конгресс "Техника и трибология транспортных систем"
2003(г, Ростов на Дону,2003);
XV Международная конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Тольятти,2003г).
Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований); она содержит 134 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.
Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением
В теории обработки металлов давлением принимается, что тело это некоторая субстанция (континиум), обладающая следующими свойствами: сплошностью, изотропностью и независимостью напряжения текучести от гидростатического давления. Поведение реального металла в процессе деформации устанавливают экспериментально, проводя опыты по нагружеиию образцов (сжатию, растяжению, кручению и т.д.). Описание поведения металла при сложных нагружениях сводится к решению физических уравнений механики, устанавливающих связь кинематических характеристик (деформированного состояния) с силовыми (напряженным состоянием). Явления, которые сопутствуют формированию свойств металла, достаточно хорошо иллюстрируются опытами по нагружению. На рис. 1.4, а приведены характерные кривые течения металла при сжатии в координатах степень деформации є- напряжение текучести сг,, значения которых определяются по формулам: -1п(УА); тйш2-9 где и h - исходная и конечная высота образца; Р - сила деформирования; F - площадь поперечного сечения образца в момент действия силы Р,
Так как между є и д существует функциональная связь, то практическое использование кривых течения не представляет трудностей независимо от того, в каких координатах они построены. Как видно (см. рис. 1.4 а ), увеличение степени деформации приводит к росту напряжения текучести металла. Это явление принято называть деформационным упрочнением (в дальнейшем упрочнение) металла. Чем больше значение производной функции rg = d rjde, тем больше упрочняемость металла. Следует обратить внимание на то, что заметный рост as происходит только до определенного значения є , после чего упрочнение металла резко замедляется или практически прекращается (достигается "порог упрочнения" металла). Величину упрочнения SSM , определяемую ростом т,, обычно рассчитывают по формуле, аналогичной формуле (1.1), или отношением y$/ys исх (гДе Уз исх - начальное значение напряжения текучести, т, - значение напряжения текучести, достигнутое в результате деформирования). Как уже указывалось, сопротивление металла пластической деформации косвенно оценивается измерением твердости. Существует ряд экспериментальных зависимостей, устанавливающих связь а$ с твердостью, например [2] т,=0,32ЯЛ, (1.2) где НВ - твердость по Бринеллю; Так как универсальной зависимости a-s от НВ для всех материалов нет, то для обеспечения точности оценки упрочняемости металла рекомендуется зависимость (1.2) уточнять экспериментально.
Несмотря на сравнительную доступность метода измерения твердости и вследствие этого его распространенность в промышленности, возможности этого метода как инструмента для исследования процессов формирования поверхностного слоя весьма ограничены. Метод дает существенную погрешность в определении деформаций при значениях е 0,5 и в области малых деформаций, когда незначительное изменение НВ соизмеримо с погрешностью самого метода. Величина твердости мало информативна, так как фактически отражает интегральную характеристику деформированного состояния, а, главное, она не входит ни в одну систему уравнений механики деформируемых сред и, следовательно, может быть использована только в эмпирических уравнениях. Более объективной мерой, характеризующей состояние поверхностного слоя, является степень деформации, определяющая величину деформационного упрочнения. Упрочнение металла, обнаруживаемое опытами на простое нагружен ие, полностью соответствует более сложному нагружению, т.е. может быть перенесено наППД. Переход от простого нагружения к сложному осуществляется на Основе гипотезы "единой кривой" течения, получившей широкое использование в обработке металлов давлением. Пусть при деформации среды некоторая ее частица получит смещение и, составляющие которого в направлении осей х, у, z обозначим мл Uy, uz . Компоненты малой деформации частицы определяются по формулам [5]: Здесь єх, ЕуУ представляют собой относительные удлинения в направлении осей х , у , г , а yv, у„ у„ - относительные сдвиги (у - изменение угла между осями х , у и т.д.). Причем сумма єх + єу+ принимается равной нулю, т.е. изменением объема тела при пластической деформации пренебрегают. Для частицы среды вводятся понятия интенсивности деформации сдвига: где тх, ту, аг - нормальные, а г , тп, ха - касательные напряжения на площадках, перпендикулярных к координатным осям. Заметим, что в обработке металлов давлением используются также понятия интенсивности деформации ei = г/л/з и интенсивности касательных напряжений Ч = о]& Гипотеза "единой кривой" течения утверждает, что если для конкретного материала строить кривую течения в координатах т(-Г , то для различных напряженных состояний получим одну и ту же (единую) кривую течения. Так как вид кривой течения не зависит от напряженного состояния, ее можно определить, например, из опытов на простое растяжение (сжатие) или чистый сдвиг. Зависимость (4) предназначена для описания малых деформаций. Большие деформации можно получить суммированием малых деформаций. Приращение компонент деформаций вычисляют по отношению к текущему (мгновенному) состоянию. Система координат предполагается "вмороженной" в данный элементарный объем. По формуле (4) определяют приращения интенсивности деформации сдвига ДГ, за каждый 1-тый этап деформирования. Накопленную интенсивность деформации сдвига определяют суммированием этапных значений: По значению Г и кривой течения устанавливают величину at - и величину упрочнения металла. Нетрудно показать, что при простом растяжении значения накопленной интенсивности деформации сдвига и интенсивности напряжений равны соответственно Заметим, что величина tc = rj-j3 называется пределом текучести металла при сдвиге. Она равна интенсивности касательных напряжений Т. Рассмотренную задачу можно решать, используя понятие скорости деформации [5]. Компоненты тензора скоростей деформации получают заменой в формуле (1.3) смещения на скорость деформации. Интенсивности скоростей деформации сдвига Н определяют заменой в формуле (1.4) деформаций на скорость деформации. Интегрированием Н по времени получают степень деформации сдвига Л, которая при достаточно большом значении п в формуле (1.6) может быть принята равной Г. Таким образом, величина упрочнения металла поверхностного слоя определяется путем выявления области пластического течения, определения в этой области траекторий движения частиц металла за весь цикл деформирования и последующего расчета значений П или Н, а затем Г или Л вдоль траекторий.
Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки материалов
Процесс УЗО можно применять для упрочнения деталей из сталей, включая термически и химико-термически обработанные, из чугунов, цветных металлов и сплавов и др. Этим способом можно обрабатывать гладкие, ступенчатые валы, шейки и галтели коленчатых валов, вытяжные пуансоны, гладкие цилиндрические калибры, валки прокатных станов, поршневые пальцы, стойки литейных машин, направляющие колонки и втулки штампов, цилиндры двигателей и прессов, направляющие металлорежущих станков и других машин, беговые дорожки колец шарико- и роликоподшипников, крупные ходовые винты и червяки, впадины резьбы, рабочие поверхности зуба зубчатых колё с, быстрорежущие и твердосплавные инструменты и матрицы штампов.
Ультразвуковая обработка материалов основана на использовании энергии механических колебаний инструмента-индентора. Колебания совершаются с ультразвуковой частотой (20 кГц) и амплитудой колебаний (0,5...50)-10-6 м. Энергия в зону обработки вводится посредством статического усилия прижима инструмента к поверхности обрабатываемой детали. Технологическое оборудование для ультразвуковой обработки имеет постоянную структуру независимо от физико-механических свойств обрабатываемых металлов: источник питания, аппаратура управления процессом обработки, механическая колебательная система и привод давления. Схема установки для УЗО представлена на рис. 2.3 и внешний вид установки на рис. 2.4.
Для процесса УЗО требуется ультразвуковой генератор, ьезострикционний преобразователь, станок и приспособление, иксирующее преобразователь на суппорте станка. С помощью пьезострикционного преобразователя электрическая энергия ультразвуковой частоты преобразуется в механическую энергию той же частоты. В табл. 2.6 приведены технические характеристики серийно выпускаемых ультразвуковых генераторов и пьезострикционных преобразователей, которые использовалиись при УЗО в данной работе. Инструмент - его рабочая часть и концентратор - наиболее важный элемент колебательной системы. Рабочая часть инструмента в процессе эксплуатации под действием динамических и тепловых импульсов изнашивается. Это ведёт как к ухудшению качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей, так и снижению производительности. Материал рабочей части инструмента из твёрдых сплавов типа ВК, особенно при УЗО термически обработанных деталей, значительно износоустойчивее стального (ШХ15). Износ рабочей части инструмента из твёрдого сплава группы ВК зависит от содержания в нём WC и Со и режима УЗО. Из установленных зависимостей применительно к рабочей части инструмента в виде сферы следует: 1). Наиболее износостойким материалом при УЗО деталей из закалённой стали ШХ15 с оптимальным режимом является твёрдый сплав ВК8; 2).Стойкость рабочей части инструмента из ВК8 составляет 4 ч. При этом шероховатость поверхности деталей возрастает (Ra от 0,05 до 0,15 мкм), микротвёрдость поверхностного слоя снижается с 10500 до 9000 МН/м2, степень упрочнения уменьшается с 33 до 21%. 3). Необходимо производить смену инструмента исходя из требований стабильности физико-механического и геометрического состояния поверхностного слоя деталей. Концентратор - его форма и размеры определяются формой и размерами обрабатываемой детали. Для УЗО наружных поверхностей применяются прямолинейные концентраторы, для внутренних -криволинейные. По форме образующей концентраторы могут быть ступенчатые, конические, экспоненциальные. В существующих конструкциях амплитуда колебаний ограничивается усталостной прочностью материала концентратора. Концентратор изготовляется из титановых сплавов, обтачивается примерно до шероховатости 6-7-го класса, затем полируется абразивной шкуркой или подвергается упрочняюще-чистовой обработке. УЗО концентраторов позволяет снизить потери звуковой энергии, связанные с её отражением от неровностей поверхности, и улучшает их волноводные свойства за счёт текстурованности поверхностного слоя. Кроме того, УЗО увеличивает усталостную прочность материала концентратора. Рабочая часть концентратора соединяется с ним гайкой. Такой способ соединения позволяет быстро менять изношенную рабочую зону шара на новую. Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику оборудования и технологии ультразвуковой финишной упрочняющей обработки металлов, является колебательная система. Она служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону обработки, согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя, концентрирования энергии и получения необходимой колебательной скорости излучателя. Типовая колебательная система показана на рис. 2.3.. В неё входят пьезострикционний преобразователь, волновое звено - концентратор колебательной скорости, акустическая развязка системы от корпуса станка, совмещённая с приводом статического прижима, инструмент-индентор, который воздействует на поверхность обрабатываемой детали.
Глубина проникновения пластических деформаций от индентора (шарика).
Глубину пластической (наклёпанной) зоны при вдавливании шара, в первом приближении, можно найти, исходя из следующих соображений. Так как диаметр отпечатка на изделии при ультразвуковом ударе сферического индентора (шара) небольшой (несколько десятых долей миллиметра), будем считать, что прилагаемое усилие предельно сосредоточено, т.е. искать решение от действия сосредоточенной нагрузки. Известно, что в направлении действия сосредоточенной силы,приложенной к полупространству, напряжения описываются следующими уравнениями: Расчёты показывают, что глубина пластической зоны 1 примерно равна диаметру отпечатка 2г. Это позволяет упростить формулу для расчёта силы внедрения. Решим уравнение относительно силы Р, получим: Если сопоставить формулу (3.10) с более точной формулой (3.5), то отклонения находятся в пределах 10% в сторону занижения. Однако расчёты указывают на удовлетворительную сходимость значений нагрузки, полученных по формуле (ЗЛО) и опытных. Например, при испытании твёрдости по Бринеллю (нагрузка 3000 кГ) для сталей ЗОХГСА, ЗОХГНА, 38ХМЮА (оу=85 кГ/мм ) диаметр отпечатка d=4 мм. Тогда Р=8,85 и разница между расчётной и табличной нагрузкой нагрузками составляет около 10%. Для других же материалов, например, для 38ХНВА, 40ХНЗА, 40ХНМА, эта разница находится в пределах 15%, что вполне допустимо. где Р - сила пластического внедрения; Д0 - максимальная глубина отпечатка.
Интеграл (3.11) может быть определён, если Р и дифференциал 1Д выражаются через одну и ту же переменную величину. В нашем случае такой переменной является текущий радиус лунки, на основании чего можно записать: после сокращения подобных величин и, учитывая, что Д2 является величиной второго порядка малости, которой можно пренебречь, связь между текущими глубиной лунки и радиусом выражается зависимостью: Таким образом, зависимость для определения работы будет определена, если в формулу (3.11) подставить выражение силы Р на основании формулы (ЗЛО) с заменой радиуса лунки г текущем радиусом р и вместо с1Д его значение (3.12). К основным параметрам режима ультразвукового упрочнения, относятся: амплитуда колебания шара 2А; статическое усилие Рст; диаметр шара Du,; скорость подачи: продольная S и поперечная S„ характеризуемая скоростью вращения детали V и частотой колебания: число проходов і. Из всех перечисленных параметров режима наибольшее влияние на эффективность процесса упрочнения и пластическую деформацию сказывают амплитуда колебания и статическое усилие. . Пластическая деформация и сопутствующие ей тепловые процессы оказывают весьма существенное влияние на изменение структуры металла, напряженного состояния, физико-механических и химических свойств поверхностного слоя.
Таким образом, одной из основных задач исследования ультразвукового упрочнения являются изучение и определение возникающих напряжений и температур. В процессе ультразвукового упрочнения на поверхности детали происходят быстропротекающие деформации (сжатие сдвига), в результате чего возникают упругие и пластические волны напряжений. Силы, возникающие при ультразвуковом упрочнении, отличаются от обычных (статически и динамически действующих) рядом особенностей, т.е. быстрым возрастанием до значительной величины, за которой следует столь же быстрое уменьшение. Воздействие отличается кратковременностью, частичной повторяемостью и ограниченностью площади. Экспериментальное изучении механических и тепловых характеристик процесса ультразвукового упрочнения представляет значительные трудности, связанные с импульсивным приложением нагрузки. Для установления основных зависимостей определим кинетическую энергию ультразвукового инструмента. Кинетическая энергия элементарного слоя толщиной dx (рис. 3.3) равна где р - плотность, (х - колебательная скорость, SW - площадь поперечного сечения в рассматриваемом сечении. Согласно закона сохранения массы и импульса силы колебательная скорость экспоненционального инструмента описывается следующим дифференциальным уравнением: где x - координата, отсчитываемая от широкого конца концентратора, со угловая частота ( п ), Сі - скорость распространения звуковых волн в материале стержня. При проведении всех расчетов принимается ряд допущений: а) в стержне распространяется плоская волна, т.е. напряжения и скорости частиц по всей площади произвольного поперечного сечения S(x) постоянны; б) поперечное сжатие стержня отсутствует; в) колебания стержня гармонические. Для экспоненциального концентратора закон изменения площади где величина 20- показатель экспоненты. Решение уравнения (3.15) продольных колебаний стержня переменного сечения с экспоненциальным законом изменения площади с учетом граничных условий имеет вид: где - скорость колебания торцовой поверхности магнитострикционного пакета, с% - скорость распространения звуковых волн в сужающемся экпоненциальном концентраторе. Задавшись величиной коэффициента площади d " $ можно определить значение показателя Р: где Do и So - диаметр и площадь торцовой поверхности инструмента у магнитострикционного пакета, d и S — диаметр и площадь на свободном конце инструмента. Полная кинетическая энергия стержня на основании уравнения (3.14) экспоненциального инструмента. После решения и преобразования уравнения (3.19) получаем окончательную формулу для определения кинетической энергии экспоненциального инструмента
Влияние технологических параметров УФУО на величину микрогеометрин и мнкротвсрдости поверхности обрабатываемых материалов
Все нижеприведённые экспериментальные результаты были получены на ультразвуковом генераторе с преобразователем, работающем на частоте f=20 кГц.
Для достижения высокого класса чистоты и оптимального упрочнения требуются определённые режимы. Для обеспечения необходимой шероховатости поверхности (Rz=min) требуется пластически деформировать более тонкий поверхностный слой (h— min), а для получения упрочняющего эффекта пластическая деформация должна захватывать поверхностные слои на значительную глубину (h—max).
Эти противоположные требования (h— min, h— -max) в случае получения одновременно минимальной шероховатости (Rz=rmn) и максимальной твёрдости (Hv=max) довольно сложно «примирить». Поэтому подбор оптимальных режимов в этом случае более сложен, чем в случае, когда требуется только Rz=min или только Hv=max.
Причина: с увеличением 2А растёт энергия удара, которая при некотором критическом значении вызывает перенапряжение (контактная усталость) в материале. В результате в тонком поверхностном слое возникают микротрещины и происходит шелушение материала.
Статическое усилие влияет на шероховатость поверхности, образующуюся при упрочнении, степень и глубину наклёпа, величину напряжений, возникающих в поверхностном слое металла и на физико-механические свойства металла. Это влияние обусловлено самим характером образования поверхностного слоя при пластическом деформировании последнего шаром, вибрирующем с ультразвуковой частотой. Выбор величины статического усилия определяет и производительность обработки, подачу и скорость вращения детали, число проходов. Таким образом, влияя практически на все технико-экономические показатели, статическое усилие является фактором режима, позволяющем наиболее гибко управлять процессом ультразвукового упрочнения деталей машин и инструмента.
Малая величина статического усилия не обеспечивает достаточной деформации поверхностного слоя, сминаются только вершины гребешков, так как в этом случае величина сближения инструмента и детали и сила удара будут незначительны. С увеличением статического усилия до некоторого предела шероховатость понижается; чрезмерное увеличение статического усилия приводит не только к понижению класса чистоты, но и к разрушению поверхностного слоя - перенаклёпу.
Сложность определения оптимальной величины статического усилия обусловлена тем, что она зависит от большого числа взаимосвязанных факторов. Величина статического усилия зависит от механических свойств обрабатываемого материала, исходной и требуемой шероховатости поверхности, размеров упрочняемой детали и диаметра шара, от параметров режима упрочнения-подачи и скорости вращения детали, амплитуды колебания и т.п.
Статическое усилие должно быть тем выше, чем менее пластичен материал детали, чем выше исходная шероховатость, чем больше диаметр упрочняемой детали и шара (это ведёт к увеличению пятна контакта и снижению напряжений в деформируемой зоне), чем больше подача и скорость вращения детали и чем меньше амплитуда колебания инструмента.
На рис. 3.9 приведены графики зависимости шероховатости поверхности упрочнённых образцов из стали 45 диаметров 20 мм от статического усилия при различных диаметрах шара. Упрочнение проводилось шарами с диаметрами 6; 10; 12,5и 15 мм. сходная шероховатость поверхности соответствовала 5-му классу чистоты.
Из графика видно, что при упрочнении шарами до 10 мм при статическом усилии до 40-50 Н происходит повышение класса чистоты поверхности, а шаром 15 мм до 100 Н. Дальнейшее увеличение статического усилия до 20ОН приводит к резкому понижению класса чистоты и даже к разрушению поверхностного слоя.
Причина более резкого возрастания R; на правых ветвях кривых 4— 3—»2—»1 с уменьшением диаметра шара Р„,:
С уменьшением диаметра шара уменьшается площадь контакта (при PCT=const) и соответственно резко возрастают контактные напряжения (ак), что приводит к более быстрому перенаклёпу.
Причина немонотонного поведения функции Rz=ffР Л: при малых Рст происходит недостаточная передача энергии, необходимой для пластического деформирования гребешков исходной микрогеометрии; с увеличением Рст величина передаваемой энергии увеличивается и повышается степень деформации, происходит сглаживание микронеровностей; при дальнейшем увеличении Рст в поверхностном слое возникают ст Ов (о в - напряжение разрушения, предел прочности), что приводит к перенаклёпу, «шелушению» и снижению чистоты поверхности.
