Поверхностный слой маложестких деталей, упрочненных методами поверхностного пластического деформирования

УДК 621.762

ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ, УПРОЧНЕННЫХ МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

© 2011 г. Е.С. Овсеенко

Московский государственный технологический Moscow State University

университет «Станкин» of Technology «Stankin»

Проведено исследование и дан сравнительный анализ наиболее эффективных методов упрочнения поверхностного слоя деталей машин по нескольким основным показателям. Проанализировано качество получаемого поверхностного слоя деталей малой жесткости методами поверхностного пластического деформирования.

Ключевые слова: поверхностный слой; качество; деталь; упрочнение; пластическое деформирова-

In this paper a study and comparative analysis of the most effective methods of hardening the surface layer of machine parts for several key indicators. Analyzed the quality of the surface details of the methods of surface plastic deformation.

Keywords: surface layer; the quality; detail; hardening; plastic deformation.

Введение. Существует большое многообразие методов поверхностного пластического деформирования (ППД), однако все они базируются на упру-гопластическом деформировании поверхностного слоя (ПС) в процессе его статического или динамического нагружения и возникновения остаточных пластических деформаций (после снятия нагрузки).

Деформационное упрочнение ПС широко применяется в различных отраслях машиностроения для технологического обеспечения и повышения эксплуатационных свойств деталей машин (износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением и др.).

Основные характеристики ПС (шероховатость Яа, максимальные остаточные напряжения сжатия - оост, глубина и степень наклепа) после обработки методами ППД приведены в таблице.

Теоретическое исследование. Наиболее технологичными и широко применяемыми методами упрочнения ППД являются динамические методы упрочнения дробью, к которым относятся:

1) дробеметное упрочнение (ДМУ);

2) пневмодробеструйное упрочнение (ПДУ);

3) гидродробеструйное упрочнение (ГДУ);

4) пневмогидродробеструйное упрочнение (ПГДУ);

5) ультразвуковое упрочнение (УЗУ);

6) упрочнение микрошариками (УМШ);

7) виброупрочнение (ВУ) и виброшлифование (ВШ).

Процессы дробеупрочнения отличаются способами сообщения дроби кинетической энергии и, соответственно, величиной энергии удара. Удельная кинетическая энергия, приходящаяся на единицу поверхности обрабатываемой детали в единицу времени, может быть определена по формуле [1]

Е -

Е уд - 2я . ^

где 0д — расход дроби, кг/с; Уд — скорость полета дроби, м/с; £п — площадь упрочняемой поверхности, м2; g — ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с2.

С течением времени упрочнения по мере увеличения сплошности покрытия обрабатываемой поверхности отпечатками интенсивность роста прогиба снижается, величина прогиба достигает максимума, стабилизируется и далее может даже уменьшаться. Это указывает на то, что степень, глубина наклепа и остаточные напряжения больше не растут, достигнув определенного уровня, который зависит от физико-механических свойств обрабатываемого

материала и режимов упрочнения. Дальнейшее продолжение упрочнения приводит к исчерпанию пластичности металла ПС, его перенаклепу и снижению эксплуатационных свойств детали.

К недостаткам методов ДМУ и ПДУ следует отнести то, что между дробью и обрабатываемой поверхности происходит сухой контакт, возникают большие силы трения и выделение тепла, которое может нагреть ПС до температуры 600 °С. Происходит также внедрение частиц дроби в ПС детали, что может снизить ее коррозионную стойкость. Исследования состояния ПС после ПДУ показали, что при обработке никелевых и титановых сплавов на рациональных режимах (диаметр дроби 0,5...1,4 мм, давление воздуха 0,2...0,5 МПа, время упрочнения 2 мин) обеспечивается шероховатость поверхности Яа=0,6...2,5 мкм. При исходной шероховатости поверхности Яа < 0,7...1,25 мкм в большинстве случаев происходит некоторое ее увеличение. Так, например, шероховатость поверхности детали, шлифованной после цементации и закалки, при дробеструйном упрочнении повышается на 1...2 мкм. Упрочнение детали из титановых и алюминиевых сплавов, а также из улучшенных сталей, прошедших закалку с отпуском, приводит к повышению шероховатости поверхности на 2,5...5,0 мкм.

Процессы ГДУ и ПГДУ отличаются от ДМУ тем, что удар дроби (шариков) по обрабатываемой поверхности происходит через жидкую пленку, которая практически устраняет трение между дробью и металлом. Это способствует более равномерному распределению нагрузки в зоне

контакта дроби и ПС, снижает трение и выделение тепла, а жидкость (трансформаторное масло или эмульсия) охлаждает обрабатываемую поверхность. В качестве ударных тел в установках ГДУ и ПГДУ обычно применяют стальные шарики с шероховатостью поверхности Яа < 0,6 мкм. При исходной шероховатости обрабатываемой поверхности Яа=0,16...0,32 мкм ГДУ ухудшает шероховатость, повышая ее до Яа=0,5...0,7 мкм, если исходная шероховатость поверхности Яа>1,25 мкм, то ГДУ ее снижает до Яа=0,63 мкм.

В установках для ультразвукового упрочнения (УЗУ) в качестве источника энергии используются ультразвуковые генераторы, которые с помощью магнитостриктора и концентратора приводят в колебательное движение массу незакрепленных рабочих тел (шариков) или закрепленный упрочняющий инструмент, который прижимается статической силой к обрабатываемой поверхности, и дополнительно ему сообщаются колебания с ультразвуковой частотой.

На состояние ПС при УЗУ влияют следующие параметры: диаметр шариков (или наконечника), их количество, частота и амплитуда ультразвуковых колебаний, расстояние детали от стенок камеры, продолжительность обработки. Рациональные режимы УЗУ устанавливаются для конкретных деталей экспериментально. Шероховатость поверхности при УЗУ в большинстве случаев повышается по сравнению с исходной. При УЗУ стальными шариками 0 1...3 мм обработанная поверхность имеет шероховатость Я =0,3...0,6 мкм.

Основные характеристики ПС после обработки ППД

Метод обработки Ква-ли-тет Ra, мкм Максимальные - со„ , МПа Наклеп

Глубина, мм Степень, %

Накатывание плоскостей черновое 8-10 0,63-2,5 200-450 0,5-0,4 30-70

чистовое 5-7 0,1-0,83 100-300 0,2-0,5 20-60

вибронакатывание 5-10 0,16-2,5 100-400 0,04-2,0 10-60

Обкатывание валов черновое 8-10 0,8-0,25 200-500 0,5-5,0 30-80

чистовое 5-7 0,05-1,0 100-400 0,3-2,0 20-70

виброобкатывание 5-9 0,06-1,6 100-450 0,1-0,3 10-70

Выглаживание валов 5-9 0,05-2,0 100-400 0,3-3,0 20-70

Раскатывание отверстий черновое 8-9 0,32-2,0 200-500 0,5-3,0 20-60

чистовое 5-7 0,05-0,32 150-400 0,2-1,0 20-70

Виброраскатывание 5-8 0,06-1,6 100-450 0,1-1,5 10-70

Выглаживание отверстий 5-8 0,05-2,0 100-400 0,3-2,0 20-70

Дорнование 5-8 0,1-1,6 100-500 0,2-0,3 50-80

Накатка, раскатка резьб 5-7 0,8-0,25 200-400 0,1-1,0 50-80

Накатка шлицев 6-8 0,8-1,0 200-500 0,5-4,0 50-80

Обкатка шлицев 5-7 0,32-1,0 200-400 0,3-2,0 30-70

Обработка вращающимися металлическими щетками 6-8 1-2,5 100-400 0,05-0,1 70-150

Упрочнение дробеметное 6-8 0,6-5,0 200-400 0,15-0,6 30-50

пневмодробеструйное 6-8 0,6-2,5 200-400 0,1-0,5 25-40

гидродробеструйное 6-8 0,6-2,5 300-500 0,1-0,4 40-60

Виброупрочнение 5-8 0,2-1,6 250-450 0,08-0,4 20-40

Ультразвуковое упрочнение 5-8 0,3-2,0 300-500 0,08-0,3 40-70

Упрочнение микрошариками 5-7 0,16-0,8 500-700 0,04-0,1 50-80

Центробежная обработка 6-8 0,08-1,25 400-600 0,2-0,8 30-50

Алмазное выглаживание 5-7 0,04-0,6 1000-1200 0,1-0,3 20-30

Для упрочнения деталей малой жесткости, с острыми кромками (Я< 0,1 мм), узкими канавками, резьбой и т. п. применяют обработку микрошариками (УМШ). В общем случае микрошариками называют металлические или стеклянные гранулы сферической формы диаметром 30...400 мкм. В процессе УМШ наклеп тонкого ПС не вызывает заметных изменений формы, размеров детали, поэтому УМШ может применяться в качестве финишной операции. Преимуществом УМШ является также то, что эпюра остаточных напряжений сжатия имеет максимальное значение почти на самой поверхности детали (без подслойного максимума), а исходная шероховатость поверхности в результате УМШ существенно снижается (до Яа=0,16...0,63 мкм). Усталостная прочность деталей, работающих при повышенных температурах, после УМШ увеличивается.

При УМШ формируется специфически микрорельеф поверхности, который имеет осповид-ный характер без рисок. Впадины микропрофиля поверхности имеют сферическую форму с радиусами, равными радиусам упрочняющих микрошариков. При большой исходной шероховатости происходит более интенсивное снижение микронеровностей в процессе УМШ, чем при малой исходной шероховатости. Так, например, поверхность с исходной шероховатостью Я2=3...4 мкм после УМШ имела шероховатость Яг=1...2 мкм.

Глубина пластически деформированного ПС при УМШ определяется расчетом по формуле [1]:

а = 3d •

1,54 -

HB 1000

•V

Y

\0,5

6g • HB K

где й — диаметр микрошариков, мм; НВ — твердость упрочняемого материала по Брюнеллю, МПа; V — скорость полета микрошариков, м/с; у — удельная масса материала микрошариков, кг/м3; К — коэффициент, учитывающий изменение твердости в результате предшествующей механической обработки, К=1...3.

Виброупрочнение и виброшлифование являются широко применяемыми видами виброударной обработки, которую называют также вибро-галтовной. Обрабатываемые детали вместе с шариками металлическими гранулами или абразивными зернами (рабочая среда) помещаются в специальный контейнер, которому сообщаются механические низкочастотные колебания по двум или трем координатам. Под действием вибраций рабочая среда совершает колебательные движения и скольжение по обрабатываемой поверхности, наносит по ней множество микроударов, пластически деформирует ПС и частично снимает микронеровности.

Для интенсификации процесса виброгалтовки в рабочую среду добавляют активирующие химические растворы или техническую воду. Эффективность виброгалтовки определяется следующими факторами:

— амплитудой и частотой колебаний контейнера;

— соотношением масс обрабатываемой детали и рабочей среды;

— характеристикой среды (свойствами и размерами абразивных зерен и шариков);

— физико-механическими свойствами обрабатываемого материала;

— формой обрабатываемых поверхностей деталей;

— составом и свойствами активирующих растворов.

Достоинством виброгалтовки является возможность обрабатывать детали сложной формы и труднодоступные места. При виброгалтовке практически не возникает перенаклепа ПС деталей. К недостаткам следует отнести небольшие виброускорения и скорости рабочих тел (1...1,2 м/с), ограниченность энергетических возможностей оборудования и большое время упрочнения (от 10 мин до нескольких часов).

Эффективность различных методов упрочнения оценивается в первую очередь по их влиянию на напряжения в ПС и остаточные деформации деталей (образцов). Остаточные напряжения после различных методов и режимов ППД определялись на образцах размером 120 х 20 х 3,5 мм механическим методом с расчетом по формулам И.С. Биргера [2, 3]. Результаты исследований показывают следующие особенности влияния методов и режимов упрочнения на начальные и остаточные напряжения.

Для всех вариантов упрочнения шариками 0,06...7 мм на сталях, титановых и никелевых сплавах в ПС формируются начальные напряжения сжатия. С увеличением диаметра шариков наблюдается тенденция к уменьшению удельной энергии удара (на единицу площади отпечатка), что приводит к снижению максимальных значений начальных напряжений и увеличению глубины их проникновения.

Уменьшение диаметра шариков ведет к росту максимальных значений начальных напряжений и снижению глубины их проникновения, что сопровождается увеличением градиента изменения напряжений по глубине ПС. Для одного и того же материала ГДУ (0 3 мм) и ВУ (0 7 мм) обеспечивают практически одинаковую глубину залегания напряжений сжатия. Однако максимальные значения напряжений существенно различны. Для стали 15Х11МФШ начальные напряжения на 40% больше при ГДУ по сравнению с ВУ.

УЗУ шариками 0 1,6 мм создает в ПС начальные напряжения сжатия примерно той же величины, что и ГДУ, однако глубина их проникновения (на принятом режиме обработки) оказалась меньше (для стали 15Х11МФШ и титанового сплава ВТ5 в 2 раза).

Для всех вариантов упрочнения глубина распространения начальных и остаточных напряжений сжатия у титановых сплавов на 20...40 % меньше, чем на стали 15Х11МФШ, что связанно в основном с более высокими прочностными характеристиками титановых сплавов. Подслойный максимум наблюдается на эпюрах напряжений у обеих групп материалов, но на титановых сплавах он выражен сильнее и расположен ближе к поверхности.

При ГДУ вторым (после диаметра шариков) по значимости фактором, влияющим на начальные напряжения, является давление жидкости, которое определяет скорость полета дроби.

С увеличением давления жидкости от 0,1 до 0,6 МПа значение начальных напряжений и глубина их проникновения сначала монотонно растет, а затем стабилизируется на определенном уровне. Эта закономерность характерна как для стали 15Х11МФШ, так и для титановых сплавов. Дальнейшее увеличение давления жидкости (более 0,6 МПа) может привести к уменьшению начальных напряжений в ПС.

С увеличением времени ГДУ как стали 15Х11МФШ, так и титановых сплавов глубина

проникновения напряжений сжатия и величина их в ПС медленно растут, затем начинают уменьшаться. Максимальные значения напряжений также растут, замедляя темп и перемещаясь вглубь материала. Время «насыщения» ПС напряжениями для стали 15Х11МФШ — 23 мин, для титановых сплавов — 58 мин.

Увеличение длительности упрочнения от 60 до 180 с сопровождается ростом максимальных значений начальных напряжений сжатия в более глубоких слоях. Дальнейшее увеличение длительности наклепа приводит к уменьшению максимальной величины напряжений.

Таким образом, наиболее значимыми технологическими факторами УЗУ, влияющими на напряженное состояние ПС, являются диаметр шариков и длительность обработки. Влияние амплитуды колебаний и расстояния упрочняемой детали от дна волновода-станка менее существенно.

Литература

1. Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. И., Волков В. И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. М., 1993. 304 с.

2. Овсеенко А.Н., Серебряков В. И., Гаек М. М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. М., 2004. 294 с.

3. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М., 1963. 232 с.

Поступила в редакцию 3 ноября 2010 г.

Овсеенко Евгений Сергеевич — аспирант, Московский государственный технологический университет «Станкин». Тел. 8 (906) 77-99-000. E-mail: ovseenko@bk.ru

Ovseenko Evgeny Sergeevich — post-graduate student, Moscow State University of Technology «Stankin». Tel. 8 (906) 77-99-000. E-mail: ovseenko@bk.ru