Оценка качества поверхностного слоя при реверсивном поверхностном пластическом деформировании

Оригинальна статья / Original article УДК: 621.787.4

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-34-40

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ РЕВЕРСИВНОМ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

© С.А. Зайдес1, Нгуен Ван Хинь2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. Целью данной работы является изучение механических свойств поверхностного слоя деталей, упрочненных в условиях реверсивного движения деформирующего инструмента Методы. Качество упрочняющей обработки оценено по экспериментальным результатам измерения шероховатости, твердости, остаточных напряжений, микроструктуры и микротвердости по глубине упрочненного слоя. Результаты. Экспериментальными исследованиями установлено, что разделение общего натяга на несколько проходов и использование реверсивной деформации снижает шероховатость поверхности, упрочненной локальным инструментом. Для формирования максимальных по величине остаточных напряжений на поверхности упрочненных деталей необходимо обрабатывать их за один проход. Реверсивная обработка снижает величину остаточных напряжений сжатия на поверхности детали. Реверсивное упрочнение локальным инструментом не изменяет твердость и закономерность ее распределения по глубине деформированного слоя. Реверсивная обработка поверхностным пластическим деформированием по сравнению с обычной способствует уменьшению размера зерна в поверхностном слое на 3-4%. Заключение. Экспериментальными исследованиями установлено, что реверсивная обработка способствует измельчению зерен, улучшению качества поверхности и формированию остаточных напряжений сжатия в периферийных слоях упрочненных деталей.

Ключевые слова: реверсивная обработка, шероховатость, микротвердость, микроструктура, остаточное напряжение.

Формат цитирования: Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь. Оценка качества поверхностного слоя при реверсивном поверхностном пластическом деформировании // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 34-40. DOI: 10.21285/1814-35202016-6-34-40

EVALUATION OF SURFACE LAYER QUALITY IN REVERSIBLE SURFACE PLASTIC DEFORMATION S.A. Zaydes, Nguyen Van Hin

Abstract. The purpose of this paper is to study the mechanical properties of the surface layer of parts hardened by reversible movement of a deformation tool. Methods. The quality of hardening treatment is estimated on the basis of the experimental results of measuring roughness, hardness, residual stresses, microstructure and microhardness in the depth of hardened layers. Results. Experimental studies have shown that division of the general preload into a few passes and the use of reversible deformation reduces the roughness of the surface hardened by a local tool. To form the residual stresses of maximum intensity on the surface of hardened parts the latter are to be machined in a single pass. Reversible machining reduces the intensity of residual compression stresses on the surface of a part. Reversible hardening by the local tool does not change hardness and its distribution regularity in the depth of the deformed layer. Reversible machining by the surface plastic deformation reduces the grain size in the surface layer by 3-4% as compared to conventional machining. Conclusion. Experimental studies have shown that reversible treatment contributes to grain refinement, improves surface quality as well as contributes to the formation of residual contraction stresses in the peripheral layers of hardened parts.

Keywords: reverse machining, roughness, microhardness, microstructure, residual stress

For citation: S.A. Zaydes, Nguyen Van Hin Evaluation of surface layer quality in reversible surface plastic deformation// Proceedings of Irkutsk State Technical University.2016. no. 6, pp. 34-40. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-634-40

©

Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu

Zaydes Semen, Doctor of Engineering sciences, Professor, Head of the Department of Engineering Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu

2Нгуен Ван Хинь, аспирант, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com Nguyen Van Hinh, Postgraduate, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com

Введение

При эксплуатации машин их детали контактируют как друг с другом, так и с окружающей средой. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства: износо- и коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. Взаимосвязь характеристик качества слоя и эксплуатационных свойств деталей свидетельствует о том, что поверхность должна быть достаточно твердой, иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей при значительной площади опорной поверхности [1, 2, 3].

С помощью финишных механических методов обработки (шлифование, хо-нингование, доводка) обеспечивается необходимая конфигурация деталей с заданной точностью, но не достигается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно обеспечивается поверхностным пластическим деформированием (ППД), при котором стружка не образуется, а происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износо- и коррозионная стойкость и т.д. Во многих случаях применением ППД удается повысить запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, в 1,5-3 раза и увеличить срок службы деталей в десятки раз [2, 3, 4].

Одним из эффективных направлений совершенствования методов ППД является применение дополнительных колебательных и осциллирующих движений [2, 5], которые позволяют формировать регулярный микрорельеф на обработанной поверхности. При совершенствовании методов отделочной обработки поверхностей и создания регулярного микрорельефа профессором Ю.Г. Шнейдером предложена схема вибрационного обкатывания [4], а профессором М.Е. Поповым разработана технология и инструментальное оснащение осциллирующего ППД [2, 5]. Предложенные методы упрочняющей обработки отличаются кинематикой деформирующего инструмента, который совершает возвратно -

поступательное движение вдоль или поперек оси детали. При этом каждая микрозона поверхностного слоя испытывает давление в разных направлениях. Перемена знака напряжений отражена эффектом Ба-ушингера [5] и проявляется в изменении механических свойств упрочняемого материала.

В связи с вышеизложенным целью данной работы является изучение механических свойств поверхностного слоя деталей, упрочненных в условиях реверсивного движения деформирующего инструмента. Качество поверхностного слоя оценивали по результатам измерения шероховатости, твердости, остаточных напряжений, микроструктуры и микротвердости по глубине упроченного слоя.

Для определения влияния реверсивного движения на качество поверхностного слоя упрочненного металла изготовили цилиндрические образцы из стали 35 диаметром 25 мм (рис. 1).

Образец разделен канавками на 6 участков, каждый из которых упрочнен по условиям, изложенным в табл. 1. Образцы упрочняли на токарном станке 1К62 одно-шариковым обкатником: диаметр шара -16 мм, частота вращения заготовки п = 200 об/мин; подача s = 0,14 мм/об.

Оценка шероховатости

Шероховатость обработанных поверхностей определена на приборе FormTalySurfi200, который предназначен для измерений текстуры поверхности и отклонения от формы окружности. На каждом участке цилиндрического образца проведены измерения шероховатости в трех местах через 1200 по окружности и вычислены средние значения Ra и Rz. На рис. 2 показаны профилограммы, снятые с обработанной поверхности.

Результаты определения средних значений параметров шероховатости Ra и Rz представлены в табл. 2.

Результаты опытов показывают, что локальное пластическое деформирование существенно снижает шероховатость поверхности после механической обработки.

Рис. 1. Опытный образец Fig. 1. A prototype

Таблица 1

Условия и режимы реверсивного упрочнения

Table 1

Conditions and modes of reversible hardening

Номер участка/ Section no. Условия упрочняющей обработки/ Hardening conditions Натяг t, мм/ Tension t, mm

1 Обкатка за 1 проход/ Burnishing with one pass of a tool t = 0,1

2 Обкатка за 2 прохода в одном направлении/ Burnishing with 2 passes in a single direction ti = t2 = 0,05

3 Обкатка за 2 прохода в разных направлениях/ Burnishing with 2 passes in different directions ti = t2 = 0,05

4 Обкатка за 4 прохода в разных направлениях/ Burnishing with 4 passes in different directions ti = t2 = t3 = t4 = 0,025

5 Обкатка за 2 прохода при разных направлениях вращения заготовки/ Burnishing with 2 passes under different directions of workpiece rotation ti = t2 = 0,05

6 Исходный (неупрочненный образец) / Original (unhardened) workpiece -

Так, параметр Ra снижается в 6-9 раз, а Rz в 4-7 раз. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными известных работ [2, 4, 6].

Если суммарный натяг не изменять, а упрочнение выполнять за два прохода (2-й участок), то Ra снижается еще на 26%, а Rz - на 29%. Если изменить направление упрочнения на противоположное, то шероховатость Ra снизится еще на 5-6%. Если неизменный натяг (0,1 мм) выполнить за 4 прохода в разных направлениях, то получим минимальную шероховатость - Ra и Rz снижаются на 45%. Таким образом, разделение общего натяга на несколько проходов и измение направления движения де-

формирующего инструмента оказывают положительное влияние на снижение шероховатости упрочненной поверхности. Если же изменить направление вращения заготовки, то шероховатость при прочих равных условиях не снижается, а повышается на 5-11%.

Определение остаточных напряжений

Остаточные напряжения измерены на приборе XStressG3/G3R. Рентгеновский дифрактометр XSTRESS применяется для определения остаточных напряжений методом рентгеновской дифракции. Метод рентгеновской дифракции - это точный и надежный метод определения остаточных напряжений, используемый уже долгое вре-

в г

Рис. 2. Профилограммы шероховатости поверхности при реверсивном деформирующем упрочнении: а - шероховатость исходной поверхности; б - шероховатость после двух проходов в одном направлении; в - шероховатость после двух проходов в разных направлениях; г - шероховатость при двух проходах и разных направлениях вращения заготовки Fig.2. Profilograms of surface roughness under reversible deforming hardening: а - roughness of the original surface; б - roughness after two passes in a single direction; в - roughness after two passes in different directions; г - roughness after two passes and different directions of workpiece rotation

Таблица 2

Результаты определения Ra и Rz при реверсивном деформирующем упрочнении

Table 2

Results of Ra and Rz determination under reversible deforming hardening

Показатель / Номер участка / Section no.

Index 1 2 3 4 5 6

Шероховатость Ra, мкм / Roughness Ra, ^m 0,68 0,5 0,47 0,46 0,56 4,44

Шероховатость Rz, мкм / Roughness Rz, ^m 4,79 3,39 3,24 2,65 3,58 19,61

мя в рентгеновской дефектоскопии. Используя закон дифракции Брэгга, возможно при помощи рентгеновского дифрактометра определить остаточные напряжения путем измерения угла отклонения рентгеновского луча от поверхности анализируемого компонента. На каждом участке обработанной цилиндрической поверхности измерены остаточные напряжения в трех точках. В каждой точке определяли остаточные напряжения в двух направлениях: вдоль оси б2 и поперек оси Б|. Результаты измерения представлены в табл. 3.

Результаты экспериментального определения остаточных напряжений показывают:

- После обработки точением на поверхности заготовки формируются остаточные напряжения растяжения.

- Упрочняющая обработка шариком в один проход формирует максимальные по величине остаточные напряжения сжатия.

- Разделение общего натяга на несколько проходов приводит к снижению остаточных напряжений сжатия, причем,

©

Таблица 3

Результаты определения остаточных напряжений

Table 3

Results of residual stress determination

Номер участка / Section number Остаточные напряжения, Мпа / Residual Stresses,MPa

Вдоль (sz) / Lengthwise Поперек (Sj) / Crosswise

1 -2бб,9 —бб1,3

2 -2б0,б —б41,б

3 -202,9 —3б9,1

4 —198,б —37б,4

5 -2бб,8 —б21,7

6 71 182

чем больше проходов, тем меньше напряжения.

- Изменение направления главного движения незначительно сказывается на изменении остаточных напряжений.

Определение размеров зерен

Для изучения микроструктуры упрочненного металла проведены металлографические исследования с помощью микроскопа Микромед МЕТ-2, который позволяет визуально наблюдать и фотографировать микроструктуры металлов с увеличением от 100 до 1000 раз (рис. 3).

Результаты определения размеров зерен до и после поверхностного пластического деформирования (табл. 4) показывают следующее:

- Изменение размеров зерен происходит только в поверхностных слоях, причем в осевом направлении образца зерна уменьшаются в среднем на 31%, а в поперечном - на 28%. Центральная область

а

практически не претерпевает пластических деформаций, и зерна не изменяют своих размеров.

- Увеличение количества проходов при неизменном натяге приводит к уменьшению размеров зерен на 3-4%.

- Изменение направления движения деформирующего инструмента, как и изменение направления главного движения, практически не сказывается на изменении размера зерен.

Определение твердости

Для определения твердости по Ро-квеллу использовали прибор марки ИБРУ-187.5. На каждом участке образца твердость измерена в шести точках, расположенных на поверхности по двум окружностям. Твердость каждого участка принята как среднее значение твердости в шести точках. Результаты измерения твердости представлены в табл. 5.

б

Рис. 3. Микроструктура образца после обработки (увеличение в 400 раз): а - поверхность образца; б - осевая зона Fig. 3. Prototype microstructure after hardening (400x magnification): а - prototype surface; б - axial zone

Таблица 4

Изменение размера зерен при реверсивном деформационном упрочнении

Table 4

Change in grain size under reversible d eforming hardening

Номер участка / Section no. Размер зерна в Lengthwise с доль оси, мкм / rain size, pm Размер зерна поперек оси, мкм / Crosswise grain size, pm

край / edge середина / center край / edge середина / center

1 18,2 27,6 19,1 27,0

2 17,8 27,8 19,2 27,6

3 17,8 27,9 19,0 27,7

4 17,5 27,9 18,8 27,1

5 18,2 27,8 18,9 27,3

6 26,3 27,6 26,5 27,6

После отделочно-упрочняющей обработки шариком твердость поверхности повышается в среднем на 16%. Изменение направления обработки и количество проходов практически не влияют на твердость материала.

Определение микротвердости по глубине упроченного слоя Для определения микротвердости по радиальному направлению поперечного сечения образцов проведены измерения на микротвердомере ПМТ-3. Микротвердость определена в двенадцати точках по одной линии от периферии к центру. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя представлено на рис. 4.

В результате экспериментальных исследований установлено, что микротвердость поверхностного слоя после ППД повышается в среднем на 23%. Реверсивное движение деформирующего инструмента

практически не изменяет микротвердость поверхностного слоя. Из рис. 4 видно, что глубина упрочнения при данных режимах обработки составляет 0,3-0,35 мм.

Заключение

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что разделение общего натяга на несколько проходов и использование реверсивной деформации снижает шероховатость поверхности, упрочненной локальным инструментом.

2. Для формирования максимальных по величине остаточных напряжений на поверхности упрочненных деталей необходимо обрабатывать их за один проход. Реверсивная обработка снижает величину остаточных напряжений сжатия на поверхности детали.

Таблица 5

Результаты измерения твердости при реверсивном деформационном упрочнении

Table 5

Results of hardness measurements under reversible deforming hardening

Показатель / Indicator Номер участка / Section number

1 2 3 4 5 6

Твердость, HRA / Hardness, HRA 43 43 43 44 43 37

<N CM

? I

<л

h ч> 8 и чд .S

о. р о 2

& Я

220 200 180 1б0 140 120 100

*

\ 1

0 -

V w

V 2

участок 1 участок 2 участок 3 участок 4 участок 5 участок 6

100 200 300 400 500 б00 700

Глубина, h, мкм / Depth, h, |jm

800

Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя: 1 - микротвердость после упрочнения; 2 - микротвердость до упрочнения Fig. 4. Microhardness distribution in surface layer depth 1 - microhardness after hardening; 2 - microhardness before hardening

3. Реверсивное упрочнение локальным инструментом не изменяет твердость и закономерность ее распределения по глубине деформированного слоя.

4. Реверсивная обработка поверхностным пластическим деформированием по сравнению с обычной способствует уменьшению размера зерна в поверхностном слое на 3-4%.

Библиографический список

1.Жасимов М.М. Управление качеством деталей при поверхностном пластическом деформировании. Алма-Ата: Изд-во «Наука», 1986. 205 с.

2. Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография / под ред. С.А. Зай-деса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. 559 с.

3. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 299 с.

4. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: справочник. СПб.: Политехника, 1988. 414 с.

5. Деформирующая обработка валов / С.А. Зайдес, В.Н. Емельянов, М.Е. Полов, Е.Ю. Кропоткина, А.С. Бубнов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 449 с.

6. Реслер И., Хардерс Х., Бекер М. Механическое поведение конструкционных материалов. Долгопрудный: Изд-во «Интеллект», 2011. 502 с.

References

1. Zhasimov M.M. Upravlenie kachestvom detalei pri poverkhnostnom plasticheskom deformirovanii [Part quality management under surface plastic deformation]. Alma-Ata, Izd-vo "Nauka" Publ., 1986, 205 р.

2. Obrabotka detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Part machining by surface plastic deformation]. Irkutsk, Izd-vo IrGTU Publ., 2014, 559 р.

3. Smelianskii V.M. Mekhanika uprochneniia detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Mechanics of part hardening by surface plastic deformation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2002, 299 p.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 16.03.2016 г.

4. Shneider Iu.G. Tekhnologiia finishnoi obrabotki davleniem [Finishing metal pressure treatment technology]. Saint-Petersburg, Politekhnika Publ., 1988, 414 p.

5. Zaides S.A., Emel'ianov V.N., Polov M.E., Kropotkina E.Iu., Bubnov A.S. Deformiruiushchaia obrabotka valov [Shafts deforming machining]. Irkutsk, Izd-vo IrGTU Publ., 2013, 449 p.

6. Resler I., Kharders Kh., Beker M. Mekhanicheskoe povedenie konstruktsionnykh materialov [Mechanical behavior of structural materials]. Dolgoprudnyi, Izd-vo "Intellekt" Publ., 2011, 502 p.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

The article was received 28 March 2016

0