ОБРАЗЕЦ ИЗ МЕТАЛЛА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ СТЕПЕНИ НАКОПЛЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СДВИГА В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ С РЕЖИМАМИ ОБРАБОТКИ МЕТОДАМИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к исследованию взаимосвязи накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое с режимами обработки методами интенсивной пластической деформации.
В настоящее время развиваются методы обработки поверхностных слоев деталей интенсивной пластической деформацией сдвига, такие как фрикционная обработка, наноструктурирующее выглаживание, SMART. Возникающие структурные изменения в поверхностном слое, обусловленные развитием ротационно-сдвигового механизма деформаций, разнообразны и выходят за рамки обычных понятий упрочнения наклепом. С увеличением интенсивности деформаций сдвига все большую роль начинают играть их локализация в микрополосах сдвига, ориентированных вдоль направлений главных касательных напряжений. В отличие от традиционных технологических процессов поверхностной пластической деформации металлов, где влияние моды деформации второстепенно, при применении методов интенсивной пластической деформации как интенсивность деформации, так и мода простого сдвига, оказываются одинаково существенными. В качестве характеристики моды деформации простого сдвига в поверхностном слое может быть использована величина накопленной деформации. Важное значение имеет градиент распределение накопленных деформаций сдвига по глубине поверхностного слоя. Степень накопленных деформаций сдвига в областях, расположенных ближе к поверхности, достигает порядка ε=10 и уменьшается по глубине в зависимости от режимов и кратности фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя. Для назначения режимов фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя при интенсивной пластической обработке необходимо определять распределение накопленных деформации по глубине.
Для исследования распределения накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое применяют метод делительных сеток и различные схемы их расположения на сборных образцах.
Известен сборный образец для проведения экспериментальных исследований деформаций поверхностного слоя в направлении скорости на продольной и наружной поверхностях, содержащий оправку, на которой установлена втулка, штифт, ограничивающий поворот втулки относительно оправки. Втулка имеет сквозной паз, параллельный образующей, в который вложены две притертые друг к другу пластины, изготовленные из того же металла, что и втулка. На поверхностях соприкосновения пластинок нанесена квадратная клетка с шагом 0,1 мм. Пластины установлены в паз с помощью штифтов и фиксируются болтами с потайными головками. Для каждого эксперимента изготовляют новые втулки и новые пластинки. Деформированное состояние исследуется методом делительных сеток, базирующимся на теории течения. (Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. / Научное издание. М., Машиностроение, 2002 г., стр.136, рис.4.33).
Недостатками сборного образца является невозможность сравнительного анализа, распределения накопленной деформации по глубине поверхностного слоя при изменении режимов обработки образца, сложность изготовления образца и низкая точность оценки величины деформаций.
Наиболее близким является образец из металла для исследования влияния поверхностной пластической деформации на параметры состояния поверхностного слоя, выполненный в виде диска, поверхность которого разбита на секторы, в каждом из которых расположены обработанные участки, сформированные в соответствии с заданными параметрами режима обработки (патент на полезную модель №120226).
Недостатками указанного образца является невозможность определения накопленной деформации сдвига и их распределение по глубине.
Для исследования степени накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое, снижения трудоемкости и упрощения процесса исследования предлагается образец из металла для исследования взаимосвязи степени накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое с режимами обработки методами интенсивной пластической деформации, выполненный в виде диска на поверхности которого расположены обработанные участки, сформированные в соответствии с заданными параметрами режима обработки. Образец выполнен из двух соединенных между собой частей, сопрягаемые поверхности которых отшлифованы и отполированы.
Причинно-следственная связь. Обработанные участки на поверхности диска сформированы с заданными параметрами режимов обработки: сила обработки, подача инструмента, коэффициент трения, зависящий от материала инструмента и материала образца, радиус инструмента. Изменение задаваемых параметров режимов обработки, выполняемое программой для токарно-фрезерного центра MULTUS-300BM и настройкой инструмента позволяет формировать обработанные участки с различной структурой и свойствами поверхностного слоя. Для исследования взаимосвязи степени накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое с режимами обработки методами интенсивной пластической деформации необходимо обеспечить возможность изучения деформации, не нарушая поверхностный слой после обработки. Для этого образец выполнен из двух соединенных между собой частей, позволяющих измерять на оптическом профилометре сдвиг металла поверхностного слоя между сопрягаемыми поверхностями, которые шлифуют и полируют для обеспечения более плотного прилегания. Измерение сдвиговых деформаций на обработанных участках сопрягаемых поверхностей, а также распределение сдвиговых деформаций по глубине обработанного слоя позволит повысить точность измерения деформаций практически в 1000 раз до значений порядка 0,1 мкм за счет исключения измерений с помощью квадратных клеток с шагом 0,1 мм. На каждом обработанном участке картина распределения сдвиговых деформаций обусловлена режимом обработки. Сравнительный анализ деформаций участков позволяет выбирать требуемые режимы обработки для получения заданного качества поверхности обрабатываемой детали.
На фиг.1 изображен образец из металла для исследования взаимосвязи степени накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое с режимами обработки методами интенсивной пластической деформации, вид сверху, на фиг.2 - разрез А-А; на фиг.3 - вид сбоку; на фиг.4 - схема распределения сдвиговых деформаций по глубине поверхностного слоя.
Образец выполнен в виде диска, состоящего из двух частей 1 из исследуемого металлического материала. Диск подвергают термической обработке. Поверхность 4 диска предварительно обрабатывают таким же образом, как и деталь, например, точением. Части 1 сопрягаемыми поверхностями 7 соединены болтами 2. Плоскость разреза 5 проходит по оси диска, образуя сопрягаемые поверхности 7. На поверхности диска, после механической обработки поверхностным пластическим деформированием, сформированы обработанные участки 3. На фиг.4 показано распределение сдвиговых деформаций 6 по глубине обработанного слоя.
Пример изготовления образца.
B
B
Металлический образец, выполненный в виде диска из цементованной стали 20Х, термоупрочненной до HRC 60, разрезают на две части. Сопрягаемые поверхности 7 шлифуют, полируют, соединяют болтами 2 и обрабатывают на токарно-фрезерном центре MULTUS-300BM точением, затем осуществляют поверхностное пластическое деформирование выглаживанием. Формируют обработанные участки инструментом с индентором из мелкодисперсного кубического нитрида бора, имеющим сферическую форму рабочей поверхности R=2 мм, СОТС - аргон. Коэффициент трения цементованной стали 20Х и мелкодисперсного кубического нитрида бора составляет 0,34. Величина параметров режимов обработки участков 3 на образце задавалась программой для токарно-фрезерного центра MULTUSTUS-300ВМ (подача) и настройкой инструмента (сила выглаживания). Например участок, расположенный у периферийной границы образца, выполнен при следующих параметрах режима обработки: подача S=0,01 мм/об, сила выглаживания P=350Н; участок, расположенный ближе к центру выполнен при следующих режимах обработки: подача S=0,01 мм/об, сила выглаживания P=300Н. При изготовлении образца обработанные участки выполнены одним инструментом и в одной и той же среде СОТС. Образец был изготовлен с 2 обработанными дорожками с указанными выше режимами обработки.
При необходимости исследования параметров качества поверхностного слояповерхностного слоя в зависимости от иного количества режимных параметров (например, подача S=0,01, 0,025, 0,04 и сила выглаживания Р=200Н, 250Н, 300Н, 350Н, количество рабочих ходов инструмента 1-5, коэффициент трения 0,15…0,34 и др.) количество обработанных участков может быть изменено до требуемого значения.
Исследование проводят следующим образом. Образец разбирают и на оптическом 3D-профилометре Wyko NT-1100 выполняют измерение сдвиговых деформаций на обработанных участках 3 сопрягаемых поверхностей 7 образца 1, а также распределение сдвиговых деформаций 6 по глубине обработанного слоя (фиг.4).
Применение предлагаемого образца позволяет повысить точность измерения накопленных деформаций сдвига в поверхностном слое в 1000 раз до величины 0,1 мкм.