Упрочнение поверхностей алмазным выглаживанием

УДК 621.787

Н.В. Лихобабина, А.А. Королев

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ АЛМАЗНЫМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ

Проведен критический анализ современных способов и технических средств, применяемых при поверхностно пластическом деформировании. Установлено, что процесс алмазного выглаживания является наиболее перспективным из применяемых на финишных операциях.

N.V. Lihobabina, А.А. Korolev SURFACES HARDENING BY DIAMOND BURNISHING

The article presents the critical analysis of modern ways and the means applied at superficially plastic deformation. It proves, that diamond-burnishing process is the most perspective applied on finishing operations and increasing properties of surfaces.

Известно, что упрочнение поверхностного слоя деталей пластическим деформированием обеспечивает повышение сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя, а также позволяет формировать напряжения сжатия и создавать регламентированный рельеф микронеровностей на поверхности.

Данная статья посвящена анализу некоторых типичных результатов исследования процесса упрочнения поверхностного слоя деталей пластическим деформированием, позволяющему определить достигнутые результаты в данной области и обосновать пути дальнейшего поиска.

Пластическое деформирование поверхностных слоев осуществляется с помощью различных методов, которые условно можно разделить на две группы. К первым следует отнести такие способы, которые предполагают создание деформационного усилия от инструмента путем непрерывного контакта с деталью (статические), ко вторым - при которых производится ударное действие на деталь рабочих тел или инструмента (динамические).

Современная теория ППД установила [6], что сущность упрочнения металла под действием ППД заключается в следующем. В области плоскостей скольжения происходят искажения кристаллической решетки, в частности ее поворот, а также смещение атомов из положения устойчивого равновесия и упругие искривления плоскостей скольжения. Эти искажения вызывают появление дополнительных напряжений, остающихся после прекращения нагружения.

Следовательно, в результате упрочнения поверхностных слоев при поверхностном деформировании можно обеспечить улучшение физико-механических свойств металла вследствие структурных превращений, измельчения зерен, а также формирования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, возникающих за счет развития сдвигов в кристаллической решетке.

В [8] Е.А. Евсиным было проведено исследование возможности оптимизации инструмента для алмазного выглаживания.

Использование алмазного выглаживания на финишных операциях обработки улучшает качество поверхностного слоя деталей, что повышает их эксплуатационные свойства. Однако внедрение этого метода в производство нередко сдерживается его

сравнительно низкой производительностью, обусловленной небольшими подачами инструмента (алмазного выглаживателя) и скоростями обработки. Повышение производительности возможно путем увеличения скорости обработки, но этому препятствуют высокая температура в контактной зоне, вызывающая улучшение качества поверхности детали, и повышенный расход алмазных инструментов.

Для интенсификации теплопередачи можно использовать различные способы охлаждения, изготовлять корпус выглаживателя из более теплопроводных материалов, увеличивать площадь его теплоотдающей поверхности, а также обеспечивать оптимальное по размерам и форме сочетание конструктивных элементов. По всем этим параметрам инструмент для выглаживания, выпускаемый промышленностью по ОСТ 2-И77-5-75, не является оптимальным (рис. 1, а). Для его оптимизации необходимо исследовать влияние указанных факторов на температуру выглаживания.

В данном исследовании площадь теплоотдающей поверхности варьировали в пределах от 300 до 2160 мм путем изменения или наружного диаметра выглаживателя D от 7 до 20 мм, или диаметра канавок d от 6 до 20 мм, или числа ребра п от 1 до 4. Для этого использовались алмазные выглаживатели исполнения «А» и «Б» (см. рис. 1, а, б). Влияние на температуру выглаживания ширины канавки в = 1.. .4 мм или толщины ребра t = 0,5.3 мм с прямоугольной или треугольной формой поперечного сечения

исследовалось на алмазном выглаживателе исполнения «В» (см. рис. 1, в). При этом сменные ребра припаивались к корпусу выглаживателя.

В данном исследовании был сделан вывод, что оптимизация инструмента для алмазного выглаживания будет способствовать снижению температуры выглаживания, что, в свою очередь, позволит повысить производительность обработки и уменьшить расход алмазов. Результаты исследования дают основание рекомендовать новую конструкцию инструмента для алмазного выглаживания (см. рис. 1, г), для включения в нормативную техническую документацию [8].

Рис. 1. Алмазные выглаживатели, применявшиеся в экспериментах: а - исполнение «А»; б - исполнение «Б»; в - исполнение «В»; г - оптимальная конструкция

В [4] было проведено исследование геометрических параметров деформационной волны при алмазном выглаживании А.С. Донсковым.

При алмазном выглаживании вследствие объемного деформирования тонкого поверхностного слоя в окрестностях области контакта инструмента с деталью образуется волна из пластически деформированного металла.

Экспериментальная проверка зависимостей, предлагаемых для расчета геометрических характеристик зоны контакта, показала достаточно хорошую сходимость опытных и расчетных данных. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты расчета и экспериментальные данные глубины пластического внедрения к и высоты волны кв в зависимости от силы Ру и подачи £ при выглаживании стали 40Х (НВ 160.180) [4]. Как следует из графиков, повышение силы давления индентора вызывает увеличение глубины внедрения к и высоты волны кв пластически деформированного металла. Изменение этих параметров характеризуется слабой нелинейной зависимостью от силы Ру. При увеличении подачи £ наблюдается некоторое уменьшение высоты волны. В то же время глубина внедрения индентора практически не зависит от подачи. Изменение высоты волны связано с характером протекания процесса объемного деформирования материала, обусловливающим интенсивность пластического течения материала в сторону, противоположную направлению подачи индентора [4].

к тп

60

3,0

о

о

ч ///

-

пкп

60

3

100

200 Р9, И

О

1, /

/4 _ ш/ —* ^

100

200 Р9, Н

0,06 0,12 лпп/о5 О цоб д р 2.пп/о5

Рис. 2. Зависимость глубины внедрения Л и высоты волны Лв от силы и подачи при выглаживании стали 40Х

Алмазным выглаживателем можно обрабатывать почти все применяющиеся в промышленности металлы и сплавы, за исключением титана, циркония и ниобия, так как они налипают на рабочую часть инструмента, а также подвергать обработке многие даже очень сложные по форме поверхности деталей, в том числе наружные, внутренние, плоские, профильные. Но в каждом конкретном случае применения ППД требуется специальный способ ее реализации.

В качестве примера рассмотрим работу [3], где предлагается способ обработки цилиндрических деталей. Данный способ обработки цилиндрических деталей, при котором осуществляют поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, отличается тем, что ролику придают колебательные движения посредством линейного шагового привода относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, и дополнительно осуществляют возможность совершать возвратно-поступательные перемещения, параллельные его основному.

Процесс выглаживания можно осуществлять с жестким или упругим закреплением инструмента (рис. 3).

При обработке с жестким закреплением инструмента заранее устанавливают глубину выглаживания t=(1,1+1,3)Rz, величина которой зависит от материала и состояния обрабатываемой поверхности, высоты шероховатостей исходной поверхности, а также геометрических параметров инструмента. В этом случае обработку необходимо проводить на станках повышенной жесткости и точности.

При выглаживании с жестким закреплением инструмента происходит исправление погрешностей геометрической формы детали. В большинстве случаев исправление геометрической формы происходит в пределах высот исходных микронеровностей. При пластических деформациях, вызывающих изменение формы за пределами величины исходных микронеровностей, возможно получение поверхности неоднородной как по шероховатости, так и по упрочнению поверхностного слоя. Для снижения неоднородности упрочненного слоя выглаживания иногда целесообразно проводить в одну установку с предшествующей операцией, посещая выглаживающий инструмент сразу за режущим.

При обработке с упругим закреплением инструмента заранее устанавливают не глубину выглаживания, а радиальную силу, с которой он прижимается к обрабатываемой поверхности. Используемые для этой цели специальные упругие державки должны обеспечивать постоянство радиальной силы даже при вынужденных поперечных перемещениях инструмента, вызванных возможным радиальным биением обрабатываемой поверхности, непараллельностью образующей детали направлению подачи, или при необходимости обработки конусных и фасонных поверхностей.

а б

Рис. 3. Способы закрепления инструмента: а - жесткое; б - упругое

Выглаженная поверхность отличается от поверхностей, обработанных абразивными методами, характерным зеркальным блеском. На шлифованной поверхности отчетливо видны следы резания отдельных зерен, а также задиры, отдельные вырывы и наплывы размазанного и размягченного металла. Полированная поверхность более ровная, на ней заметно большее количество рисок - следов полирования абразивной лентой. Вырывов, задиров и других дефектов, характерных для шлифования, на полированной поверхности не наблюдается. Поверхность поле суперфиниша имеет характерную сетку пересекающихся следов от резания абразивными зернами, обусловленную характером движений брусков относительно обрабатываемой поверхности; она имеет отдельные дефекты в виде наплывов металла. После выглаживания образуется характерная пластически деформированная поверхность, ровная, без вырывов и задиров (рис. 4).

Поверхности одной шероховатости, полученные различными методами обработки, отличаются эксплуатационными свойствами. Это объясняется тем, что на эксплуатационные свойства обработанной поверхности влияют не столько высота шероховатости, сколько высота опорной площади поверхности. Обычно даже при тщательной отделке поверхности опорная площадь составляет лишь небольшую часть контурной площади.

ППД имеет значительные преимущества в отношении достигаемого качества обработанной поверхности, по сравнению с обработкой известными методами резания металла. Так, микроструктура после шлифования закаленных сталей отличается повышенным содержанием в поверхностном слое остаточного аустенита (до 30-40%). По данным ряда исследований [2, 4, 8], остаточный аустенит, возникающий в поверхностном слое закаленных сталей после шлифования, является нежелательной структурной составляющей, понижающей некоторые эксплуатационные свойства поверхностного слоя (контактную выносливость, усталостную прочность и износостойкость).

Рентгеноструктурное исследование фазового состава поверхностного слоя закаленной стали ШХ15 после алмазного выглаживания показали [5], что в процессе алмазного выглаживания происходит интенсивный распад остаточного аустенита. При исходном 30%-м содержании остаточного аустенита выглаживание с силой 32 кгс вызывает практически полный его распад. Уменьшение подачи и увеличение числа проходов при выглаживании уменьшают количество остаточного аустенита в поверхностном слое.

Рис. 4. Вид поверхности после: а - шлифования; б - полирования; в - суперфиниширования; г - алмазного выглаживания

Поверхностный наклеп понижает коррозионную стойкость металла [6], хотя имеются указания [7], что при определенных условиях обкатывания шариками можно добиться высокой коррозионной стойкости поверхности. Для выяснения влияния алмазного выглаживания на коррозионную стойкость были проведены исследования [5]. Образцы шлифовали, полировали и выглаживали при оптимальных режимах, а затем выдерживали 135 дней в морской воде. Действие коррозии оценивали по уменьшению веса образцов. Испытания показали, что уменьшение веса выглаженных образцов в среднем на 16% меньше, чем шлифованных, и на 11% - по сравнению с полированными (рис. 5).

Это объясняется сглаживанием шероховатости и устранением таких поверхностных дефектов как микротрещины и риски. Можно сделать вывод, что алмазное выглаживание по режимам, обеспечивающим высокий класс чистоты поверхности, не снижает или же несколько улучшает коррозионную стойкость поверхности.

Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала [1].

Наибольший эффект упрочнения от применения ППД достигается для циклически нагружаемых деталей с конструктивными (галтели, выточки, резьбы, зубья, шлицы и т.п.) или эксплуатационными (коррозионные повреждения, царапины, надрезы и т.п.) концентраторами напряжений. ППД эффективно также и по отношению к деталям, подверженным в эксплуатации износу (направляющие станков и прессов, поршни, цилиндры), схватыванию и фреттингу (соединения с гарантированным натягом, подвижные соединения).

Таким образом, при алмазном выглаживании происходящие структурные превращения уменьшают количество остаточного аустенита в поверхностном слое, что улучшает физико-механические свойства металла. Улучшается коррозионная стойкость поверхности, повышаются контактная прочность и динамическая стойкость. Однако применяемые в настоящее время способы ППД отличаются низкой производительностью, сложно поддаются автоматизации и поэтому требуют в этом отношении дальнейшего совершенствования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин / Н.В. Олейник,

В.П. Кычин, А.Л. Луговский. Киев: Техшка, 1984. 151 с.

2. Торбило В.М. Алмазное выглаживание маложестких и тонкостенных деталей /

В.М. Торбило, А. А. Плотников // Абразивноалмазная обработка: сб. ст. Пермь: Перм. политехн. ин-т, 1983. С. 25-32.

3. Патент ЯИ 2221686 С1, В24В39/04 Способ обработки цилиндрических деталей / В.И. Бутенко, Д. И. Диденко. 2002.

4. Донсков А.С. Исследование контактной

зоны деформации при выглаживании инструментом произвольной формы / А.С. Донсков //

Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении: сб. ст. Пермь: Перм. политехн. ин-т, 1983. С. 36-45.

5. Горгоц В.Г. Теоретический анализ динамики процесса алмазного выглаживания поверхностей деталей методом фазовой плоскости /

Рис. 5. Зависимость уменьшения веса от времени испытаний t в морской воде сталь 45 (НРС 54): 1 - шлифование; 2 - полирование; 3 - выглаживание

B.Г. Горгоц, В.П. Куднецов // Технология машиностроения. 2006. № 11. С. 18-21.

6. Пишбальский В. Технология поверхностной пластической обработки / В. Пишбальский; пер. с польск. М.: Металлургия, 1991. 479 с.

7. Клепиков В. В. Технологические процессы алмазного выглаживания: учеб. для вузов / В.В. Клепиков, А.Н. Бодров. М.: Высшая школа, 2004. 320 с.

8. Евсин Е. А. Исследование возможности оптимизации инструмента для

алмазного выглаживания / Е. А. Евсин // Совершенствование процесса абразивноалмазной и упрочняющей технологии в машиностроении: сб. ст. Пермь: Перм. политехн. ин-т, 1983.

C. 63-70.

Лихобабина Наталия Викторовна -

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Саратовского государственного технического университета

Королев Андрей Альбертович -

профессор кафедры «Технология машиностроения»

Саратовского государственного технического университета Статья поступила в редакцию 02.10.07, принята к опубликованию 13.11.07