Обоснование глубины упрочнения нежестких валов при поверхностной пластической деформации центробежным обкатником

Библиографический список

1. Бражкин Б.С., Миротворский В.С. Специализированные координатно-измерительные приборы КИП-1, КИП-2 и КИП-3 для контроля распределительных валов // Технология машиностроения. 2009. № 6(84). С. 43-49.

2. Высогорец Я.В., Чемборисов Н.А. Методика контроля групп параметров точности цилиндрических и торцевых поверхностей деталей // Вестник ИрГТУ. № 12(59). 2011. С. 2026.

3. Косаревский С.В. Автоматизация контрольно-измерительных операций при производстве крупногабаритных деталей атомного энергомашиностроения: дис. ... канд. тех. наук. СПб., 2009. 140 с.

4. Патент 2 009 137 922(13) РФ, МПК51, G01B11/00 (2006.01). Устройство и способ бесконтактного измерения диаметра и овальности объектов круглого сечения / П.И. Горковенко (RU) [и др.]. Заявл. 2009137922/28, 13.10.2009; опубл. 20.04.2011.

5. Патент 2 348 006 C1 РФ, МПК51 G 01 В5/08, G 01 B5/12. Способ размерного контроля поверхностей деталей, имеющих круглые сечения / Чиненов С.Г., Максимов С.П., Высо-

горец Я.В. № 2007126311/28; заявл. 10.07.07; опубл. 27.02.09. Бюл. № 6. 15 с.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614778. Программа для определения параметров точности цилиндрических поверхностей деталей типа «тело вращения» / Я.В. Высогорец, С.Г. Чиненов; заявка № 2011613133 от 29.04.2011. 26 с.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617665. Программа для определения параметров точности торцевых поверхностей / Я.В. Высого-рец, С.Г. Чиненов, Р.Р. Саитгалиев; заявка № 2011615883 от 3.09.2011. 25 с.

8. Сысоев Ю.С. Координатные методы контроля геометрии поверхностей изделий машиностроения. Методы контроля профилей деталей машин: справочник // Инженерный журнал. 2007. № 2. С. 19-25.

9. Чиненов С.Г., Высогорец Я.В., Максимов С.П. Математическое моделирование операций комплексного размерного контроля деталей машин // Вестник ИрГТУ. №8(55). 2011. С. 172-176.

УДК 621. 787

ОБОСНОВАНИЕ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕНИЯ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТНИКОМ

© А.В. Горбунов1, В.Ф. Горбунов2

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

Представлено теоретическое и экспериментальное обоснование глубины упрочнения нежестких валов поверхностной пластической деформацией (ППД) с использованием центробежного обкатника. Минимальная шероховатость достигается при распространении пластической деформации на глубину, не превышающую размера зоны взаимного влияния зерен. Дальнейшее увеличение частоты вращения увеличивает шероховатость поверхности, возникает выкрашивание (шелушение). Ил. 4. Библиогр. 32 назв.

Ключевые слова: нежесткий вал; поверхностный слой; пластическая деформация; глубина упрочнения.

RATIONALE FOR NON-RIGID SHAFT HARDENING DEPTH UNDER SURFACE PLASTIC DEFORMATION BY CENTRIFUGAL ROLLER A. V. Gorbunov, V. F. Gorbunov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper presents a theoretical and experimental rationale for the hardening depth of non-rigid shafts by surface plastic deformation using a centrifugal roller. A minimal roughness is achieved by the propagation of plastic deformation into the depth, which doesn't exceed the size of the grain interaction zone. The growth of rotation frequency increases the surface roughness and chipping (flaking) arises. 4 figures. 32 sources.

Key words: non-rigid roller (shaft); surface layer; plastic deformation; depth of hardening

Глубина упрочнения при поверхностной пластической деформации (ППД) связана с основными параметрами, определяющими качество обработки: степенью деформационного упрочнения, величиной и глубиной залегания остаточных напряжений сжатия, шероховатостью, волнистостью обработанной поверхно-

сти [20, 18].

Для жестких валов, у которых отношение длины вала I к его диаметру d меньше 10, обычно рекомендуется увеличивать глубину упрочнения, не допуская разрушения в связи с исчерпанием пластичности материала (шелушение, расслоение). Увеличение глуби-

1Горбунов Андрей Владимирович, аспирант, тел.: 89501446933, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgik12@mail.ru Gorbunov Andrei, Postgraduate, tel.:89501446933, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgik12@mail.ru

2Горбунов Владимир Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, тел.: 89086532181, e-mail: Gorbunov12@istu.edu

Gorbunov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics, tel.:89086532181, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgik12@mail.ru

ны упрочнения сопровождается, как правило, увеличением интенсивности контактных давлений, а также увеличением усилия прижима инструмента к заготовке. При этом в поверхностном слое (ПС) формируются остаточные напряжения сжатия. При последующей эксплуатации при циклических нагрузках эти напряжения частично и неоднородно релаксируют [8, 12], создавая в поперечных сечениях вала изгибающий момент, изменяющий кривизну оси вала. Разработаны различные способы исправления такого брака путем правки [9, 13]. Основной недостаток этих методов в том, что они предполагают местное пластическое деформирование с формированием самоуравновешенной системы остаточных напряжений. Последующее деформационное старение при циклических нагрузках приводит к воспроизводству брака во время эксплуатации. Кроме того, при пластическом деформировании в закаленном состоянии образуются микротрещины, уменьшающие усталостную прочность и долговечность детали. Для снижения величины остаточных напряжений в технологии изготовления нежестких валов предусматривают вибрационную обработку, которая позволяет предупредить эксплуатационную нестабильность формы продольной оси [19]. Очевиден вывод: необходимо уменьшать величину остаточных напряжений, а это равнозначно уменьшению глубины упрочнения. При этом должны остаться неизменными другие показатели качества обработки ПС после отде-лочно-упрочняющей ППД.

Обоснование. В поликристаллическом теле все зерна, за исключением находящихся вблизи свободной поверхности, окружены со всех сторон другими зернами и испытывают трехмерное взаимодействие, распространяющееся на некоторое расстояние, называемое зоной влияния данного зерна. Величина зоны влияния связана с размером зерна микроструктуры. Для железоуглеродистых сплавов эта зависимость представлена на рис. 1. Чем больше размер зерна, тем меньшее количество зерен входит в зону взаимного влияния.

19,5

18

16,5

^ 15 си 15

СР

си

" 13,5 12 10,5

5 15 25

Зерна, выходящие на свободную поверхность, теряют почти половину своих соседей, менее ограничены в деформации. Лишь на глубине, равной размеру зоны взаимного влияния, восстанавливается взаимодействие, характерное для внутреннего объема поликристалла. Слой зерен, выходящий на свободную поверхность, имеет минимальный предел текучести. Рентгеновские, механические и другие методы исследований [31, 32, 25, 28, 26, 7, 17, 30, 5, 3 и др.] позволили обнаружить, что напряжение течения поверхностного слоя изменяется по толщине поверхностного слоя от минимального значения (приповерхностный слой) до величины напряжения течения всего образца.

Толщина поверхностного слоя (зоны влияния свободной поверхности) является геометрической характеристикой, оценивающей дальнодействие сил взаимодействия и влияния свободной поверхности на это взаимодействие. Она существенным образом зависит от размера зерна, типа кристаллической решетки поликристалла [23, 29, 31]. Не установлена зависимость ее от деформационного упрочнения образца.

Изменение свойств этого слоя путем целенаправленного изменения его микроструктуры различными технологическими воздействиями является предметом многочисленных исследований [11, 27, 24, 16, 10, 1 и др.].

В [27] на стали 1018 изучалось влияние градиента размера зерна на вид диаграмм кручения и растяжения. В цилиндрическом образце при переходе от центра поперечного сечения к поверхности средний размер зерна уменьшался от 14 до 8 мкм, а твердость возрастала от 175 до 212 HV. При растяжении таких образцов (рис. 2) существенно увеличиваются напряжение течения и скорость деформационного упрочнения, исчезает площадка текучести. При кручении градиентных образцов по сравнению с однородным распределением размеров зерен напряжение течения возрастает на 20 % при той же скорости деформационного упрочнения.

35 45 55 65

0 со

1

ц

о

X

к ^

со И

X

о

со СР

си

со ГО О.

Размер зерна ^ мкм

Рис. 1. Зависимость размера зоны взаимного влияния от размера зерна:  - армко-железо [8, 9]; - аустенитная сталь с содержанием углерода 1 % [30]; • - сталь 45 с размером зерна 20 мкм; х - сталь 35 с размером зерна

37 мкм

0 2 4 6 8 10

Деформации, %

Рис. 2. Диаграмма растяжения стали 1018, имеющей градиент размера зерен по поперечному сечению

Создание двух-трехслойных структур с разным размером зерна (с мелким и крупным) по сечению круглого образца приводило к изменению вида кривой напряжение-деформация. Чем мельче зерно в приповерхностном слое, тем больше напряжение течения [24]. Создание в поверхностном слое субмикрокристаллических структур приводит к значительному увеличению прочностных характеристик с одновременным ростом пластичности в сравнении с образцами, имеющими размер зерна несколько мкм [16, 10, 1, 14]. Ультразвуковая обработка ППД стали Ст 3 позволила получить в поверхностном слое структуру с размером зерна 0,5 мкм [15]. Последующий изотермический отжиг ее при температуре 1103°К в течение часа привел к увеличению предела текучести в 1,7 раза, пластичности - в 1,5 раза. Следует отметить, что глубина упрочнения при ультразвуковой обработке была не более 15 размеров зерен исходной микроструктуры.

ППД проводится и с целью увеличения усталостной прочности и долговечности. При циклическом нагружении основные процессы накопления повреждений и зарождение разрушения наиболее интенсивно происходят в приповерхностном слое толщиной около одного размера зерна микроструктуры [6, 22]. Изменение условий протекания деформационных процессов в этом слое существенно увеличивает продолжительность стадии зарождения усталостной трещины критической величины.

При определении глубины упрочнения ППД следует принять во внимание технологическую наследственность. Заготовки, поступающие на технологическую операцию ППД, как правило, подвергаются механической обработке со снятием части металла (точение, шлифование и др.). При этом в приповерхностном объеме формируется иная микроструктура. Например, для нормализованной стали 65Г номер зерна изменяется от 5 до 11, а для закаленной стали 65Г - от 10 до 14 [21]. При этом глубина наклепа изменяется от 50 до 350 мкм и не распространяется, как правило, за пределы зоны взаимного влияния.

Глубина упрочнения при заданных параметрах деформирующего ролика зависит от усилия прижима инструмента. Для маложестких валов при отделочно-упрочняющей обработке при заданном размере зерна эта величина ограничена нормальными напряжениями от изгиба и касательными напряжениями от крутящего момента, при определенной величине которых проис-

ходит потеря сдвиговой устойчивости всего поверхностного слоя (микропластическое течение). Эта подробно исследовано в [4].

Эффективность воздействий на приповерхностный объем детали поверхностным пластическим деформированием при минимальной величине остаточных напряжений ограничена условием достижения минимально возможной шероховатости. В то же время минимальная глубина упрочнения не может быть меньше размера зерна, а максимальная - больше размеров зоны взаимного влияния. Чем меньше размер зерна, тем меньше размер зоны влияния свободной поверхности и больше количество зерен в пределах этой зоны [23, 29].

600

а

£ 400 и

ш 300

X

а 200

с

а

1 100

0 10 20 30 40 50 Деформация £, %

Рис. 3. Кривые напряжения - деформация стали Ст 3:

1 - в исходном состоянии; 2 - после ультразвуковой обработки и отжига

Существование критической величины деформации поверхностного слоя и соответствующего ей критического напряжения, после которого поверхностный слой практически не упрочняется или разупрочняется, ограничивает величину интенсивности деформаций [5, 3]. Существенное превышение ее приводит к шелушению поверхности и снижению качественных показателей ППД.

Очевидно, при заданной шероховатости и размере зерна микроструктуры для валов малой жесткости существует оптимальная глубина упрочнения в пределах зоны взаимного влияния, обеспечивающая минимальную шероховатость.

Эксперимент и его обсуждение. Для проверки этой гипотезы были проведены экспериментальные исследования на образцах из стали 35 в нормализо-

ванном состоянии, имевших длину 300 мм, диаметр 16 мм и шероховатость Ra= 1,25; 2,5 и 5,0 мкм. Размер зерна ферритно-перлитной структуры в поверхностном слое во всех образцах 30 мкм.

Существующие технологии упрочняющей обработки ППД нежестких валов используют схему, при которой инструмент неподвижен, а деталь вращается. При большой длине и наличии непрямолинейности оси заготовки возникают динамические нагрузки от колебаний, обуславливающие неоднородность обработки по длине и радиусу заготовки. Как результат искривление оси детали после ее изготовления или во время эксплуатации. Чтобы избежать этого, в эксперименте использована запатентованная головка центробежного обкатывания [9]. При новой технологии ППД заготовка закреплена в задней бабке токарного станка, инструмент закреплен в шпинделе станка и вращается вместе с ним. Колебания и связанные с ними динамические нагрузки значительно уменьшились. Деформирующие ролики центробежного обкатника имели профильный радиус 5 мм. Шероховатость измеряли про-филометром Абрис ПМ-7 по среднеарифметическому отклонению профиля Ra. Технологические параметры процесса и результаты его оптимизации подробно изложены в [2]. При каждом режиме технологического процесса определялась глубина упрочнения замером микротвердости по радиусу вала и электромагнитным методом с использованием экспериментальной установки и методики, описанной в [5, 3]. При использовании последнего метода с поверхности вала электрополировкой стравливался слой определенной толщины и определялось напряжение течения поверхностного слоя. При стравливании всего упрочненного слоя изменение напряжения течения поверхностного слоя прекращалось. При всех исследованных значениях исходной шероховатости оптимальная частота вращения оказалась в пределах от 280 до 320 оборотов в минуту (рис. 4), что соответствует величине усилия прижима ролика около 380-420 Н. Шероховатость поверхности, соответствующая оптимальной частоте

вращения центробежного обкатника, зависит от исходной шероховатости. Чем больше исходная шероховатость, тем больше шероховатость, соответствующая оптимальным параметрам технологического процесса.

Глубина упрочнения поверхностного слоя монотонно возрастает при увеличении числа оборотов. Обнаружена взаимосвязь минимальной шероховатости с величиной зоны взаимного влияния. Для стали 35 при глубине упрочнения, равной 330-420 мкм (рис. 4, кривая 1), при любой исходной шероховатости после центробежного обкатывания достигается минимальная шероховатость.

Как это видно из рис. 1, при размере зерна 30 мкм указанная глубина упрочнения близка к толщине ослабленного поверхностного слоя (размеру зоны взаимного влияния). Дальнейшее раскатывание шероховатостей с частотой более 320 оборотов в минуту приводит к распространению пластической деформации на глубину большую, чем размер зоны взаимного влияния. При этом приповерхностный слой зерен деформируется до критической деформации, после которой, как показано в [5, 3], он более не упрочняется.

При частоте вращения обкатника около 460-550 оборотов в минуту и подаче 0,11 мм/оборот в эксперименте наблюдалось шелушение поверхностного слоя, что свидетельствует о критической деформации поверхностного слоя зерен и перенаклепе объёма, залегающего на глубине более, чем размер зоны взаимного влияния.

Размер шероховатости существенно не изменяется по сравнению с оптимальной при уменьшении глубины упрочнения почти в 2 раза (см. рис. 4). Это, как известно, существенно уменьшает остаточные напряжения, возникающие от ППД. Для стали 35 упрочнение на глубину 200 мкм достаточно для полной проработки неоднородностей пластической деформации, возникших в поверхностном слое от предшествующих обработок, что значительно снизит их влияние на качество обработки маложестких валов центробежным обкат-ником.

0,45

2 °'4 £ 0,35

и о

0,3 0,25 0,2

сталь 35 2

1/^ з

/ -

-

размер зерна d= 30 мкм 1

200

300 400 500

Частота вращения, об/мин

1,2 1,1

1 I

0,9 £ 0,8 |

о р

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

600

а н и

б >

Рис. 4. Зависимость глубины упрочнения (1) и шероховатости поверхности вала от частоты вращения центробежного обкатника (2, 3, 4):  - исходная шероховатость Ra - 5,0 мкм;  - исходная шероховатость

Ra - 1,25 мкм; • - исходная шероховатость Ra - 2,5 мкм

В работе показано, что зона взаимного влияния зерен и свободной поверхности играет существенную роль в процессах деформации и разрушения поверхностно упрочненных тел. Изменение в любом слое зерен в пределах этой зоны отражается на прочности и долговечности детали. Стабильность свойств нежесткой детали во время эксплуатации зависит от од-

нородности упрочняющего воздействия в пределах размера зоны взаимного влияния. При использовании центробежного обкатника глубина отделочно-упрочняющей обработки углеродистой стали не должна превышать размера зоны взаимного влияния, а отделочной - больше половины этого размера.

Библиографический список

1. Астафурова Е.Г. [и др.]. Структура и механические свойства низкоуглеродистой феррито-перлитной стали 10Г2ФТ после интенсивной пластической деформации и последующих высокотемпературных отжигов // Физ. мезомех. 2010. Т. 13. № 4. С. 91-101.

2. Вулых Н.В., Горбунов А.В., Сташевская К.В. Обработка нежестких валов центробежным обкатываем для достижения оптимальной шероховатости // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы докладов II Всерос. с международным участием науч.-техн. конф. (Иркутск, 25-27 апреля, 1912 г.) / под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. С. 236-242.

3. Горбунов А.В., Горбунов В.Ф. Закономерности деформационного упрочнения поверхностного слоя стали 25 // Вестник ИрГТУ. 2011. № 6. С. 50-52.

4. Горбунов А.В, Горбунов В.Ф. Сопротивление пластическому деформированию круглых валов при изгибе с учетом особых свойств поверхностного слоя // Межвуз. сб. науч. тр. под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. С. 2538.

5. Горбунов В.Ф., Зайдес С.А., Горбунов А.В. Деформационное упрочнение поверхностного слоя армко-железа // Высокие технологии, образование, промышленность. Т. 1: Сборник статей XI междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-29 апреля 2011 г. Санкт-Петербург / под ред. А.П. Кудинова. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2011. С. 156-159.

6. Горицкий В.М., Иванова В.С. [и др.]. О различии пластической деформации поверхностных и внутренних слоев поликристаллического железа при усталостном нагружении // ДАН СССР. 1972. Т. 205. № 4. С. 812-814.

7. Давиденков Н.Н. Изучение пластической деформации посредством ренгеноанализа // ЖТФ. 1944. Т. 14. Вып. 9. С. 507-514.

8. Драчев О.И. Технология изготовления маложестких осе-симметричных деталей. М.: Политехника, 2005. 289 с.

9. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин Г.В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 304 с.

10. Казаченок М.С., Панин А.В., Иванов Ю.Ф. [и др.]. Влияние термического отжига на механическое поведение технического титана ВТ1 -0, имеющего субмикрокристаллическую структуру в поверхностном слое или объеме материала // Физ. мезомех. 2005. Т. 8. № 4. С. 37-47.

11. Кишкин С.Т., Строганов Г.Б., Логунов А.В., Луковкин А.И., Губанова Н.М., Елкина Н.И. Влияние рекристаллизованного поверхностного слоя на механические свойства отливок из сплава ЖС6У // Проблемы прочности. 1984. № 7. С. 46-50.

12. Копылов Ю.Р. Динамика процессов виброударного упрочнения. Воронеж: Научная книга, 2011. 568 с.

13. Куличкин Н.В., Мамонтов В.А.Способы правки деформированных судовых валов // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: материалы науч.

конф. (2002, октябрь). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002.

14. Панин А.В., Клименов В.А., Почивалов Ю.И., Сон А.А. Влияние состояния поверхностного слоя на механизм пластического течения и сопротивление деформации малоуглеродистой стали // Физ. мезомех. 2001. Т. 4, № 4. С. 85-92.

15. Панин В.Е. Поверхностный слой как синергетический активатор пластического течения нагруженного твердого тела // МиТОМ. 2005. № 7. С. 62-68.

16. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика -новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого тела // Физ. мезомех. 2003. Т. 6. № 4. С. 9-36.

17. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. 2005. Т. 8. № 5. С. 7-15.

18. Пшибылький В. Технология поверхностной пластической обработки. М.: Металлургия, 1991. 479 с.

19. Расторгуев Д.А., Драчев О.И. Вибрационный способ повышения стабильности маложестких валов // Известия ВолГТУ. 2004. № 1. С. 36-38.

20. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

21. Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О.А., Горленко А.О. [и др.]. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 448 с.

22. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М.: Наука, 2003. 354 с.

23. Fujito Hiroshi. Effect of boundaries on plastic deformation // ДзайреКогаку. J. Mater. Sci. Jap.1980. V. 17. N 5. P. 196-205.

24. Hwang Kee-Ho, Plichta M.R., Lee J.K. Grain-size-gradient nickel alloys 1: Fabrication and tensile properties // Mat. Sci. Eng. 1988. V. A101. P. 183-192.

25. Kloos K.H. Eigenspannunden, Definition und Entstehungsursachen // EigenspannungenOberursel. 1980. S. 1-20.

26. Kramer J.R. Effect of surfaces on mechanical behavior of metals // Fundament Phenomena Mater. Sci. V. 3. New York: Plenum Press., 1986. P. 171-222.

27. Lee J.K., Ehrlich F.R., Crall L.A., Collins T.N. Analysis for the effect of a grain size gradient on torsional and tensile properties // Met. Trans. A. 1988. V. 19. P. 329-335.

28. Macherauch T., Wohlfahrt H. Einspennungen und Ermuding // Ermudungsvehalten met. Werkst. oberursel, 1985. P. 237-283.

29. Miazaki S., Shibata K., Fujita H. Effect of specimen thickness on mechanical properties of polycrystalline aggregate with various grain size // Acta met. 1979. № 27. P. 855-862.

30. Norstrem L-A., lachasson D. Surface yield strength and flow stress in high-strength martencitic steel // Scfnd. J. Mat. 1983. V.12/-N1. P. 37-39.

31. Sasaki H., Sato Y. Strength of the surface layer of mild steel // Trans. ASME, J. Eng. Mater. And Technol. 1981. V. 103. N 3. P. 282-286.

32. Sato Y., Sasaki H., Kumano A. Yield of surface layer in mild steel cylinders // Дзайпекогаку, J. Mater. Sci. Soc. lap. 1980. V. 17. N 3-4. P. 185-192.