Технологическое обеспечение стабильности формы упрочненных валов

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.7.011:621.9.011

Технологическое обеспечение стабильности формы упрочненных валов

С. А. Зайдес, А. В. Горбунов, Х. В. Нгуен

Рассматривается технологическая возможность повышения стабильности формы упрочненных длинномерных валов. В качестве эффективного инструмента для отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием предлагается конструкция обкатника, основанная на использовании центробежных сил для воздействия на деформирующий инструмент. Так как стабильность формы изделий во многом зависит от технологических остаточных напряжений, то приведены результаты их экспериментального определения рентгеновским методом. Установлено влияние частоты вращения обкатника на остаточные напряжения в поверхностных слоях упрочненных валов.

Ключевые слова: маложесткий вал, центробежный обкатник, остаточные напряжения, частота вращения.

Введение

Работоспособность валов малой жесткости во многом зависит от сохранения их первоначальной формы во время эксплуатации. Искривленные валы не только нарушают устойчивую работу машин и механизмов, но и могут привести к их разрушению. Считается, что основной причиной изменения формы валов при эксплуатации являются остаточные напряжения, формирующиеся на заключительных технологических операциях.

Остаточные напряжения возникают практически при всех технологических процессах обработки заготовок, сопровождающихся силовыми, тепловыми и другими воздействиями, изменяющими микро- и субструктуру поверхностного слоя. При поверхностном пластическом деформировании (ППД) поверхностные слои металла подвержены действию контактного давления и температуры в очаге деформации [1, 2], которые связаны между собой.

Остаточные напряжения, сформированные в процессе ППД, оказывают как положительную, так и отрицательную роль в эксплуатационной надежности деталей машин. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, особенно в местах концентрации напряжений, увеличивают усталостную

прочность и долговечность [3]. Однако при воздействии внешних нагрузок в процессе механической обработки или эксплуатации остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, короблению, скручиванию и т. д. При удалении части материала в заготовке со значительными остаточными напряжениями может нарушиться упругое равновесие и существенно измениться форма и размеры заготовки [4, 5]. Из-за наличия остаточных напряжений и их релаксации трудно обеспечивать необходимую точность геометрической формы в процессе изготовления и особенно в процессе эксплуатации маложестких деталей [5].

Большинство случаев деформации нежестких валов обусловлено, прежде всего, несимметричным распределением наследственных остаточных напряжений по сечению заготовки, несимметричной обработкой (неравномерное удаление припусков, обработка шпоночных канавок, лысок, неравномерное упрочнение и другие воздействия на деталь), неравномерной релаксацией остаточных напряжений после обработки [6].

Формирующиеся при ППД остаточные напряжения характеризуются величиной, зна-

ком и глубиной залегания. Все эти величины зависят от многих факторов, среди которых основными являются условия проведения поверхностной пластической обработки и механические свойства обрабатываемого материала [7, 8].

Анализ экспериментальных и теоретических работ по ППД нежестких валов позволил определить основные параметры качества поверхностного слоя при обработке поверхностным пластическим деформированием. При том в качестве основного эксплуатационного требования для нежестких валов принята стабильность формы геометрической оси вала с достаточной усталостной прочностью.

Многие исследования [4, 5, 9] отмечают чрезвычайную важность равномерности обработки, обеспечивающей однородность деформации, уравновешенность остаточных напряжений, их равномерную релаксацию при эксплуатационной нагрузке. В отличие от жестких валов выполнение этого условия зависит не только от конструкции инструмента и режимов упрочнения, но и от механических свойств поверхностного слоя, закономерностей его микропластической деформации при технологическом воздействии, релаксационной стойкости при эксплуатации.

Таким образом, выполненный литературный обзор по направлению исследования позволил установить, что геометрическая стабильность и надежность работы маложестких валов зависят от напряженно-деформированного состояния деталей в процессе упрочняющей обработки и сформированных при этом остаточных напряжений.

Целями исследования являются создание рабочего инструмента для отделочно-упроч-няющей обработки поверхностным пластическим деформированием длинномерных валов малой жесткости и оценка остаточного напряженного состояния, которое влияет на геометрическую стабильность формы изделий.

Конструкция рабочего инструмента

для обработки нежестких валов

Выбор конструкции рабочего инструмента определяется основными качественными показателями обработки поверхностного слоя.

Однородность упрочнения, отсутствие изогнутости вала, малые остаточные напряжения, их уравновешенность и равномерная релаксация во время эксплуатации и другие показатели связаны с усилием прижима инструмента. Инструмент должен обеспечивать постоянство этого усилия при любых изменениях формы детали, наличии пространственной погрешности и колебаний в технологической системе. Чтобы избавиться от большей части проблем, обусловленных динамикой взаимодействия частей технологической системы, необходимо остановить вращение детали, вывести ее из непосредственного взаимодействия с патроном, задней бабкой и люнетами. При такой схеме обработки невозможно образование начальных напряжений от закрепления в патроне и задней бабке, так как есть возможность любой продольной деформации. В этом случае для обеспечения обработки ППД всей поверхности нежесткого вала требуется вращать инструмент. Для исключения деформации изгиба заготовки усилием прижима деформирующего элемента необходим инструмент с полным силовым замыканием.

Для создания рабочего усилия прижима деформирующего тела (шарика, ролика и др.) в настоящее время используется множество различных конструкций. Центробежный инструмент более предпочтителен для обеспечения высокой производительности при заданном качестве и стабильности процесса обработки. К недостаткам известных конструкций центробежных раскатников следует отнести большую частоту вращения инструмента. Для генерации необходимого рабочего усилия, обеспечиваемого силой инерции при малой массе роликов, требуется большая частота вращения инструмента, которую не обеспечивает стандартное оборудование. Высокая частота вращения приводит также к возникновению вибраций, что, несомненно, сказывается на однородности обработки. Наиболее простым решением проблемы увеличения рабочего усилия, генерируемого центробежной силой, является применение рычажной системы. Такая компоновка центробежного обкатника была разработана и запатентована группой ученых ИрГТУ [10]. На криволинейном рычаге закрепляются деформирующий элемент и груз (рис. 1).

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

ЛЕГАШ

Рис. 1. Центробежный обкатник: 1 — остов и лекало; 2 — рычаг; 3 — груз; 4 — державка с деформирующим роликом; 5 — обкатываемая деталь; 6 — дополнительная опора

Вся система вращается относительно неподвижной оси заготовки, и сила инерции груза создает момент относительно точки закрепления рычага, который уравновешивается моментом рабочего усилия относительно той же точки. При малой длине плеча криволинейного рычага относительно точки закрепления рычага возрастает рабочее усилие. Таким образом, деформирующее усилие регулируется соотношением плеч и массой груза. При большой массе груза достаточные для обработки ППД усилия возникают при частоте вращения, обеспечиваемой стандартным оборудованием. Использование центробежного обкатника позволяет регулировать жесткость на изгиб обрабатываемой детали установкой двух дополнительных опор как в конструкции обкатника, так и вне его на станине станка. Усовершенствованная конструкция центробежного обкатника состоит из корпуса 1 с коаксиальным отверстием, в котором размещается заготовка 5. На торцовой части корпуса 1 через 120 ° расположены три оси, на которых крепятся рычаги 2 с возможностью поворота. На концах короткого плеча каждого из рычагов выполнен паз, где расположен деформирующий ролик. На длинном плече каждого рычага на осях крепятся сменные грузы 3. При вращении корпуса на рычаги и грузы действуют силы инерции, поворачивающиеся рычаги 2 относительно осей прижимают деформирующий ролик к заготовке 5. Усилие прижима инструмента к заготовке регулиру-

ется уменьшением или увеличением массы грузов и (или) частоты вращения обкатника.

Методика экспериментального

определения остаточных напряжений

Для определения остаточных напряжений в упрочненных валах использован рентгеновский метод. Метод рентгеноструктурного анализа основан на дифракции рентгеновских лучей в кристаллических материалах. В этом методе используется изменение спектра отраженных лучей, вызываемое изменением частоты колебаний узлов кристаллической решетки и изменением расстояний между узлами или кристаллографическими плоскостями [11]. Метод рентгеноструктурного анализа основывается на законе Вульфа— Брегга: 2d sin 0 = nk, где k — длина волны; d — межплоскостное расстояние; 0 — угол дифракции лучей (угол между падающим лучом и атомной плоскостью).

Остаточные напряжения измеряли с помощью дифрактометра Xstress 3000 G3/G3R. Параметры измерения: хромовый анод, К-a-излучение, напряжение на трубке 25 кВ, ток — 5,5 мА. Детекторы дифрактометра расположены под углом 180°, что позволяет одновременно исследовать два направления: ф = 0° и ф = 180 °. Режим съемки модифицированный. Углы наклона — ± 40°, количество наклонов — 8, отклонение наклона (осцилля-

ция) ± 5°. Время экспозиции — 5 с. Угол дифракции — 156,33°. Плоскость отражения (311). Вводились параметры материала: модуль Юнга — 21 500 МПа, коэффициент Пуассона — 0,3. Определялся полный тензор напряжений, для упрощения расчетов напряжения а33 не учитывали и принимали равными нулю.

Для построения эпюры напряжений по глубине упрочненного слоя поверхностные слои материала удаляли примерно по 30 мкм с помощью портативного электролитического устройства Моу1ро1-3 фирмы В^тиегБ (Дания). Толщину удаленного травлением слоя контролировали с помощью микрометра.

Результаты определения

остаточных напряжений

Наиболее важными показателями качественной обработки нежестких валов являются равномерность обработки и связанная с ней равномерность распределения остаточных напряжений, их релаксационная стойкость.

Изменение кинематики упрочняющей обработки существенно изменило условия формирования остаточных напряжений в поверхностном слое. Один из концов заготовки не ограничен в перемещении в осевом направлении. Окончательная эпюра остаточных напряжений формируется не в момент раскрепления заготовки, а в процессе ППД. Потому результаты по формированию остаточных напряжений более предсказуемы, не зависят от условий закрепления, жесткости передней и задней опор и других величин.

Наибольшее влияние на стабильность геометрических параметров обработанной ППД заготовки оказывают продольные остаточные напряжения [4] — их значение и распределение по длине заготовки.

Закономерность формирования остаточных напряжений изучали на экспериментальной установке [12] на образцах, обработанных при рациональных значениях профильного радиуса, подачи и различной частоте вращения обкатника [13]. На обработанной ППД поверхности

-500

200 100 0

-100

к -200

-300

-400

-500

-600

-100

100 200 300 400 500

Частота вращения обкатника, об/мин

600

Рис. 2. Зависимость остаточных напряжений от частоты вращения обкатника. Сталь 35 с размером зерна 30 мкм. Ролик с профильным радиусом 5 мм, подача — 0,11 мм/об, масса груза — 2 кг

определяли осевые остаточные напряжения. Результаты этой серии экспериментов показаны на рис. 2.

Как видно из рис. 2, с увеличением частоты вращения обкатника остаточные напряжения увеличиваются. Однако интенсивность их приращения в первой зоне значительно больше, чем во второй. Границе между этими зонами соответствует рациональная частота вращения обкатника, при которой глубина упрочнения близка к размеру зоны взаимного влияния [13].

Изменение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя представлено на рис. 3. Максимальное значение остаточных напряжений смещается с поверхности в глубину поверхностного слоя на расстояние, не превышающее двух размеров зерен (60 мкм), если глубина упрочнения не выходит за пределы зоны взаимного влияния (п =

0,4 0,6 0,8

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 3. Изменение осевых остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя при различной частоте вращения обкатника. Сталь 35 с размером зерна 30 мкм. Ролик с профильным радиусом 5 мм, подача — 0,11 мм/об, масса груза — 2 кг: • — 200 об/мин; А — 315 об/мин;  — 500 об/мин

МЕТЛЛЛООБРАБОТК/

Расстояние от конца до места измерения напряжений, мм

Рис. 4. Изменение напряжения по длине образца. Сталь 45, нормализация. Ролик с профильным радиусом 5 мм, подача — 0,11 мм/об, масса груза — 2 кг. Размер зерна — 30 мкм:

1 — образец после обкатывания одним роликом за один проход; 2 — образец после центробежного обкатывания одним роликом за один проход

= 315 об/мин). При частоте вращения значительно больше рациональной (500 об/мин) максимум осевых остаточных напряжений смещается на глубину около 100 мкм с одновременным уменьшением интенсивности роста. Глубина залегания остаточных напряжений увеличивается с увеличением частоты вращения центробежного обкатника.

Существенно уменьшить осевые остаточные напряжения при обкатке нежестких валов за счет уменьшения рабочего усилия невозможно, так как возрастет шероховатость и уменьшится контактная жесткость. Необходимо формировать однородную систему продольных остаточных напряжений по длине заготовки.

Экспериментально однородность обработки заготовок центробежным обкатником определяли по значению остаточных напряжений поверхностного слоя. При этом сравнивали образцы после обкатки одним роликом без силового замыкания и образцы, обработанные центробежным обкатником по предлагаемой технологии. Результаты экспериментов приведены на рис. 4.

Остаточное напряженное состояние образца после обработки одним роликом при двух-опорном закреплении без применения люнетов является явно неоднородным. Минимальную жесткость образец имеет посередине. Под действием усилия деформирования заготовка отжимается, возникают вибрации. Глубина упрочнения уменьшается и становится неоднородной по периметру. Это в конечном счете приводит к формированию более неоднородной системы остаточных напряжений. Центробежная обкатка существенно умень-

шила неоднородность распределения остаточных напряжений по длине вала и периметру заготовки.

Заключение

Для повышения геометрической стабильности формы маложестких деталей типа валов и осей разработана новая конструкция деформирующего инструмента, исключающая искривление деталей при упрочняющей обработке.

Использование центробежного обкатника позволяет формировать остаточные напряжения сжатия в поверхностных слоях цилиндрических деталей. Установлено, что интенсивность остаточного напряженного состояния зависит от частоты вращения рабочего инструмента.

Стабильность деформирующего усилия, основанная на использовании центробежных сил при вращении рабочего инструмента, позволяет формировать остаточные напряжения, стабильные по длине обрабатываемой детали.

Литература

1. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справ. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

2. Отений Я. Н. Технологическое обеспечение качества деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Волгоград: Политехник, 2005. 224 с.

3. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 318 с.

№ 3(93)/2016

53

4. Зайдес С. А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 1992. 200 с.

5. Зайдес С. А., Забродин В. А., Мураткин Г. В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2002. 304 с.

6. Овсеенко А. Н. Технологические остаточные деформации маложестких деталей и методы их снижения // Вестн. машиностроения. 1991. № 2. С. 58-61.

7. Пшибыльский В. Технология поверхностной пластической обработки: пер. с пол. М.: Металлургия, 1991. 479 с.

8. Дальский А. М., Базаров Б. М., Васильев А. С.

Технологическая наследственность в машиностроительном производстве. М.: Изд-во МАИ, 2003. 364 с.

9. Дрозд М. С., Матлин М. М., Сидякин Ю. И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

10. А. с. 1719191. МКИ 3 кл. 24 В 39/04 СССР. 4806904/27. Устройство для упрочнения поверхности цилиндрических деталей / С. А. Зайдес, К. А. Скороходов, А. С. Кургузов // Заявл. 28.03.96. Опубл. 15.03.92. Бюл. № 10.

11. Русаков A. A. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. 237 с.

12. Зайдес С. А., Горбунов А. В. Определение механических свойств поверхностного слоя маложестких валов, упрочненных поверхностным пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 3 (123). С. 15-19.

13. Зайдес С. А., Горбунов А. В. Повышение эффективности упрочнения маложестких валов центробежным обкатыванием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 4 (124). С. 6-13.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Справочник конструктора : Справочно-методическое пособие / Под ред. И. И. Матюшева. — СПб.: Политехника, 2006. — 1027 с. : ил. ISBN 5-7325-0552-0 Цена: 1520 руб.

Справочник конструктора, подготовленный коллективом ведущих специалистов различных отраслей, является справочно-методическим пособием для конструкторов всех категорий. В справочнике приведены рекомендации по методам конструирования в соответствии с современным техническим уровнем, требования к конструкциям по эргономике, надежности, технологичности и т. п. Излагаются методы расчета и этапы конструирования основных узлов машин — исполнительных органов, приводов, передач и несущих конструкций. Приводятся справочные данные по системам подачи жидкостей, газов, арматуре, по видам подвижных и неподвижных соединений, допускам, посадкам. Даются характеристики и основные свойства различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс, композиционных материалов и других.

В справочник включены разделы по динамике машин, системам автоматики, конструкциям узлов электрооборудования и вопросы автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ. В отдельном разделе даны различные справочные материалы по выполнению типовых элементов деталей и оформлению чертежей.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.