Исследование упрочнения поверхностного слоя деталей

УДК 621.951.

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ © В.И. Зайцев1

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

Одной из наиболее важных задач современного машиностроения является технологическое обеспечение заданного ресурса техники, который зависит непосредственно от эксплуатационных свойств тяжелонагруженных деталей машин. Необходимо создать такой контактный поверхностный слой, который бы имел высокие характеристики качества, но традиционный сегодня технологический процесс поверхностного упрочнения - термическая обработка с последующим шлифованием и хонингованием - трудоемок и занимает много времени. Исследовались три способа поверхностной пластической деформации: ударно-импульсная обработка (УИО); поверхностное пластическое деформирование раскатыванием шариком и применение сверл одностороннего резания с твердосплавными направляющими пластинами. Более качественная поверхность у отверстий деталей была получена в результате применения твердосплавных сверл односторонней обработки с параллельным упрочнением и выглаживанием направляющими пластинами.

Ключевые слова: обработка; сверление; пластическая; давление; режим; твердость.

PART SURFACE HARDENING STUDY V.I. Zaitsev

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

One of the priorities of modern mechanical engineering is technological support of the specified life of machinery, which is directly related of the performance properties of heavy-loaded machine parts. It is necessary to create the contact surface layer with high performance quality. However, traditional technological process of surface hardening that is represented by heat treatment followed by grinding and honing is laborious and time-consuming. The article studies three methods of surface plastic deformation including shock-pulse treatment, surface plastic deformation by ball burnishing and use of non-reversible drills with carbide guide plates. The better surface quality of part holes has been obtained as a result of application of non-reversible carbide drills with parallel hardening and burnishing by guide plates. Keywords: machining; drilling; plastic; pressure; mode; hardness.

Введение

В современном машиностроении многие машины обладают большой мощностью, значительными вращающими моментами и осевыми силами.

Увеличенная нагруженность машин обусловливает высокие требования к качеству и точности изготовления их деталей. Поэтому одной из наиболее важных задач машиностроения является обеспечение таких основных критериев работоспособности элементов машин, как прочность, износостойкость и контактная выносливость. Не износостойкие, имеющие малую поверхностную твердость детали не могут работать. К тому же разрушения частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям. Интенсивность изнашивания, слом или значительная деформация деталей зависят, главным образом,

от состояния рабочих поверхностей и отклонения их форм от заданных. Это особенно касается наиболее ответственных деталей механизмов, потому что долговечность любого оборудования прежде всего зависит от них. Даже небольшой износ рабочих поверхностей деталей может привести к неритмичной работе всего устройства, повышенным вибрациям и перераспределению нагрузок.

Методы поверхностного упрочнения

Для создания качественного поверхностного слоя, который бы обеспечивал высокие эксплуатационные свойства деталей машин, в настоящее время применяют различные методы поверхностного упрочнения: поверхностное пластическое деформирование раскатыванием; термообработка; химико-термическая обработка;

1

Зайцев Виталий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел: 89247006080, e-mail: Zaitsev@istu.irk.ru

Zaitsev Vitaly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 89247006080, e-mail: Zaitsev@istu.irk.ru

ударно-импульсная обработка и др.

Одной из задач является повышение износостойкости рабочих внутренних полостей ряда деталей нефтехимического оборудования: стволов вертлюгов, муфт пневматических молотков, втулок нефтяных насосов и др. Твердость внутренних поверхностей этих деталей обычно повышается за счет химико-термической обработки (ХТО), несмотря на то, что такие методы значительно увеличивают трудоемкость изготовления. По существующему технологическому процессу после термообработки (ТО) или ХТО следует шлифование с хонингованием закаленной поверхности.

Задаваемый технологический процесс является продолжительным. Науглероживание и цианирование, в зависимости от габаритов детали и используемой среды, длится 1-3 суток. В результате обработанное отверстие имеет 7 степеней точности формы цилиндрической поверхности при квалитете диаметра Н7 и шероховатости по параметру Ра 0,7.

С целью уменьшения сроков изготовления деталей были проведены опыты с применением поверхностного пластического деформирования (ППД). Исследовались толстостенные трубы с внутренним диаметром до 100 мм из легированных сталей: 40Х, 38ХТЮА и 120Г13Л, которые часто применяются для изготовления тяжело-нагруженных деталей.

Применение ударно-импульсного метода (УИМ) [1], в связи с трудностями установки ударной системы в отверстии, отпало. Для управления упругопластичной деформацией необходимо создать предварительное надежное поджатие инструмента к поверхности канала. К тому же при этом способе под действием ударных импульсов поверхностный слой с высокой твердостью часто чередуется со слоем с низкой твердостью. Приходилось многократно (3-4 раза) повторять процесс с перекрытием (к « 0,25) пластических отпечатков друг на друга.

Раскатка является простым и эффективным способом повышения качества

поверхности деталей. Получаемые при этом напряжения сжатия повышают сопротивления деталей разрушению [2].

При обработке шаром диаметром 10 мм наилучшие результаты были получены при подаче Б = 0,3^0,35 мм/об. С увеличением подачи число повторных деформаций обрабатываемой поверхности увеличивалось. При обработке одношариковым обкатником на борштанге оптимальное нагружение составляло 800-1000 Н. При большем нагружении глубина упрочнения достигала 1^1,5 и более мм. Но при этом в ряде случаев обнаруживались микротрещины, что являлось особенно недопустимым для ответственных деталей.

Требуемые твердость и шероховатость малых и средних размеров внутренних поверхностей были достигнуты применением твердосплавных сверл одностороннего резания второго типа, имеющих впаянные базовые направляющие в виде пластин. Эти направляющие также выполнены из дисперсионно твердеющего сплава и имеют прямоугольную форму. Они заменяемые и расположены позади режущей части инструмента. Одна из них расположена в диаметральной плоскости, проходящей через режущую кромку пластины твердого сплава, а другая смещена относительно режущей кромки на 70°. При этом угол между осями пластин обычно обозначают как центральный угол. Направляющие служат упрочняющими и выглаживающими внутреннюю поверхность детали элементами [3, 4].

Подбор инструментов

Исследовались сверла одностороннего резанья второго типа, то есть сверла с наружным подводом СОЖ и внутренним отводом стружки. Инструмент в качестве режущей части имел припаянную твердосплавную пластину. Хвостовая часть представляла собой трубу с провальцованной по длине канавкой, имеющей угол профиля, равный профилю стружечной канавки сверла. Длина хвостовой части устанавливалась в зависимости от длины обрабатываемого отверстия. Для обеспечения подвода СОЖ корпус сверла занижался. Для

создания достаточной жесткости инструмента угол профиля стружечной канавки из рекомендуемых значений (120-140°) принимается наименьшим, то есть 120°. Дно канавки располагалось ниже центра сверла на 0,03 диаметра б инструмента во избежание появления при работе нулевой скорости. Сверло имеет одну режущую кромку, состоящую из 2-х частей - наружной и внутренней. Вершина инструмента для лучшего направления при работе смещена относительно оси на некоторую величину Ь. Лучшую стойкость сверло показало при Ь = 0,2б. При этом условии калибрующая кромка будет испытывать меньшее давление, так как составляющая сила резания, действующая перпендикулярно к оси сверла, для кромки, в сторону которой смещена вершина режущей пластины, будет больше. Это предохраняет сверло от увода, отверстие от разбивки, а также повышает стойкость инструмента.

Для уменьшения трения при работе калибрующая часть снабжена утонением по направлению к хвостовику в пределах 0,1-0,3 мм на длине 100 мм. Вдоль режущей кромки на калибрующей части оставляется ленточка шириной 0,2-0,6 мм.

Задняя поверхность сверл затачивалась по плоскости.

Применение сверл одностороннего резания позволит нам избавиться от термообработки детали с последующей чистовой операцией. К тому же после термообработки деталь часто «ведет», т.е. она подвергается короблению. А на шлифова-

ние и последующую отделочную операцию затрачивается много времени.

Результаты исследования

В связи с вышесказанным представляет интерес, насколько возрастает поверхностная твердость отверстия после обработки твердосплавным сверлом одностороннего резания по сравнению с исходной твердостью.

Результаты исследования глубины и степени наклепа поверхности отверстия приведены ниже. Сверление отверстий диаметрами 30-75 мм на длину до 600 мм проводилось в заготовках из стали 45Х типа стволов вертлюгов на специальной установке, созданной на базе токарно-винторезного станка мод. 163. Опыты проводились при скоростях резания V = от 80 до 210 м/мин и подачах Э = 0,10-0,15 мм/об. Степень и глубина наклепа поверхностного слоя определялись путем измерения микротвердости на образцах, вырезанных из просверленных деталей. Микротвердость измерялась на поверхности косого среза, расположенного под углом 2° к оси отверстия, на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 г.

Основные результаты исследования представлены на рис. 1, 2, 3.

Как следует из рис. 1, глубина и степень наклепа поверхностного слоя отверстия весьма значительны: так, микротвердость поверхностного слоя при сверлении с подачей Э = 0,10 мм/об. превышает исходную почти в два раза, а при подаче Э = 0,15 мм/об. - в 2,5 раза.

Рис. 1. Зависимость микротвердости от глубины поверхностного слоя: я- Б = 0,1 мм/об.; 0- Б = 0,15 мм/об. При п = 1000 об ./мин. Обратная конусность 0,6 мм при й = 40 мм

Из диаграмм на рис. 2 можно сделать вывод, что закономерность изменения степени наклепа по глубине последнего практически одинакова в пределах изменения скорости резания от 80 до 210 м/мин. Это надо считать вполне закономерным, поскольку в данных опытах не отмечалось повышенной нормальной нагрузки на базовую направляющую с ростом скорости. Нормальная нагрузка определялась расчетным путем на основании экспериментальных данных по замеру суммарных главной составляющей силы резания Fz и радиальной составляющей силы резания Fr при различных скоростях резания [5].

Проведенные исследования показали, что с уменьшением угла при вершине

7000 , 2

внешнего участка главной режущей кромки сверла ф! от 10 до 20° степень и глубина наклепа практически не изменились. Это можно объяснить тем, что с ростом угла фt возросла в основном только радиальная составляющая силы резания Fr, которая в общем балансе сил, воздействующем на базовую направляющую, относительно невелика.

Изменение конструкций направляющих, а именно их длины от 5 до 25 мм и обратной конусности от 0,1 до 0,6 мм на 100 мм, показало, что наклеп несколько увеличивается с уменьшением обратной конусности направляющих (рис. 3).

\

\

А t А А А.

1 А

so h. мкм

Рис. 2. Зависимость микротвердости от глубины поверхностного слоя: Б = 0,1 мм/об.;  - п = 700 об./мин; 0- п = 1000 об./мин; я- п = 1500 об./мин. Обратная конусность 0,6 мм при D = 40 мм

НГым

Ö о 5

А

\\

> \

N

Г

Рис. 3. Зависимость микротвердости от глубины поверхностного слоя: S = 0,1 мм/об.; п = 1000 об./мин;  - обратная конусность 0,1 мм; • - обратная конусность 0,6 мм

При измерении микротвердости поверхностного слоя в различных сечениях заготовки не было обнаружено изменения степени и глубины наклепа по глубине сверления. Это объясняется тем, что силы резания также практически не возрастали к концу сверления ввиду незначительного износа кромок сверла.

Для удовлетворительной работы однокромочного сверла необходимо было заставить работать обе базовые направляющие с одинаковой нагрузкой. Для этого равнодействующую силу, действующую на сверло перпендикулярно его оси Р и воспринимаемую поверхностью просверленного отверстия через базовые направляющие, необходимо направить по биссектрисе центрального угла между базовыми направляющими. Установлено, что оптимальный центральный угол составляет примерно 110°.

В конструкции таких сверл также необходимо предусмотреть возможность переворачивания базовых направляющих по мере износа их передней части.

Из твердых сплавов марок ВК8, ВК6-ОМ, Т5К10 и ТТ10К8Б, формирующих сменные колодки базовых направляющих, наилучшие результаты показал сплав ВК6-ОМ. Сплав Т5К10 на выходе сквозных отверстий нередко имел поверхностный скол. Охлаждающая жидкость сульфофре-

зол подавалась под давлением Р = 1-2 МПа. Производительность насоса была 3 л/с.

При значительных режимах резания: V > 150 м/мин и Э > 0,2 мм/об. - иногда наблюдался пригар базовых направляющих.

Выводы

Таким образом, твердость поверхностного слоя отверстия превышает исходную в 2-2,5 раза. Учитывая, что при термообработке твердость увеличивается не более чем в 2,8 раза, представляется реальным исключить термообработку при использовании метода глубокого сверления твердосплавными сверлами одностороннего резания.

Подобная технология поверхностного пластического деформирования (ПДД) слоев отверстий с целью значительного повышения твердости и уменьшения степени шероховатости поверхности их стенок может применяться и при сверлении деталей под калиброванные посадочные шейки осей, валов и поршней.

Формирование отверстия при работе этими сверлами, в отличие от сверл двустороннего действия, осуществляется за счет двух процессов: резания и пластического деформирования с выглаживанием боковыми твердосплавными пластинами.

Статья поступила 27.11.2015 г.

Библиографический список

1. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А. Влияние режимов статико-импульсной обработки на равномерность упрочнения поверхностного слоя // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2004. № 2. С. 27-32.

2. Гафаров А.М. Технологические способы повышения износостойкости деталей машин. Баку: Наука, 1998. 318 с.

3. Троицкий Д.Л. Скоростное глубокое сверление.

Л.: Машиностроение, 1991. 206 с.

4. Металлорежущие инструменты / Сахаров Н.Г., Арбузов О.Б. [и др.]. М: Машиностроение, 1989. 328 с.

5. Зайцев В.И., Карпиков А.В. Аналитическое определение параметров подвода СОЖ при внутренне-напорном охлаждении зоны сверления // Вестник ИрГТУ. 2014. № 4. С. 24-27.