Оценка параметров качества поверхностного слоя, упрочнённого в процессе магнитодинамической обработки

УДК 621.787.6

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, УПРОЧНЁННОГО В ПРОЦЕССЕ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

В. А. Лебедев, А. А. Кочубей, И.В. Чумак

Предложены расчётно-аналитические зависимости, устанавливающие связь параметров качества упрочнённого ППД поверхностного слоя с энергией ударно-импульсного воздействия на неё свободнодвижущихся в условиях электромагнитного поля инденторов, характеристиками качества исходной поверхности и условиями обработки.

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, индентор, упрочнение, качество поверхности, магнитодинамическая обработка.

В настоящее время для упрочнения металлических кристаллических материалов используются различные методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Особое место среди методов ППД занимают методы упрочнения конвективными потоками свободнодвижущихся инденторов [1], и в частности магнитодинамическая обработка, представляющая собой способ обработки деталей ферромагнитными инденторами в электромагнитном вращающемся поле [2].

Наличие общих закономерностей ударно-импульсного взаимодействия инденторов с обрабатываемой средой, присущих этой группе методов, позволяет положить в основу аналитической оценки характеристик качества поверхностного слоя формируемого при магнитодинамической обработке зависимости, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований методов этой группы, получивших практическое применение в технологии изготовления деталей машин таких как виброударная обработка, пневмодинамическая, центробежно-ротационная обработка.

В числе первых основополагающих работ по раскрытию физической сущности технологических процессов упрочняющей обработки сво-боднодвижущимися инденторами следует выделить работы А.П. Бабичева [3], в которых он показал, что под действием колебаний рабочей камеры обрабатывающая среда динамически взаимодействует с деталью формируя на ней качественно новый микрорельеф поверхности и поверхностный слой с повышенными физико- механическими свойствами.

В дальнейшем на основе исследований динамики процессов и технологии виброударного упрочнения деталей сложной формы в работе [4] предложены аналитические зависимости, устанавливающие связь параметров качества упрочнённого ППД поверхностного слоя с энергией, подводимой к поверхности в момент ударно-импульсного воздействия на неё свободнодвижущихся сферических твёрдых тел, характеристиками качества исходной поверхности и условиями обработки.

Так для оценки изменения высоты микронеровностей микропрофиля упрочнённой поверхности зависимость имеет вид

^1.ЫСХ

2 Э

к:(4

кИНМ

Для прогнозирования физико-механических параметров поверхно стного слоя получены следующие зависимости позволяющие установить: изменение твердости упрочнённой поверхности

•100%

НУ =

' кО^НМ изменение глубины упрочнённого слоя

32 Э

НУ(п\

К =

1.5.«1.54-10"3) V пНМ к '

К(п\

изменение средних значении нормальных остаточных напряжении в упрочнённом слое

а0 =

где =

(

\

0.2

0.481

[гпр?

Д

ЕИ

В - диаметр сферического индентора; НМ и

НУ - твёрдость материала по Викерсу и по Майеру; ^(я), НУ(п), Ин(п), о0(п) - функционалы потактового изменения соответствующих параметров за счёт многократности повторно совмещённых пластических отпечатков; гпр приведённый радиус контактирующих поверхностей гпр~уД ГИ/ГД + ГЯ> Е - коэффициент Пуассона и модуль Юнга; Я! исх

- исходная шероховатость поверхности.

Из предложенных зависимостей следует, что основной вклад в формирование параметров качества упрочнённого слоя вносит первоначальное сплошное покрытие обрабатываемой поверхности пластическими отпечатками со средним диаметром с10, при условии, что они не перекрывают друг друга.

В уравнениях (1) - (4) параметры упрочнённого слоя после первоначального однократного покрытия следами ударов описываются первым сомножителем.

При последующих ударно-импульсных воздействиях инденторов параметры качества упрочнённого слоя изменяются. Эти изменения корректируются вторым сомножителем, представляющим собой функционал изменения параметра качества в зависимости от количества совмещённых ударов в одной и той же локальной области обрабатываемой поверхности.

Получить аналитическую зависимость, объективно отражающую тенденцию изменения параметра качества от количества покрытий поверхности следами ударов задача достаточно сложная. Сложность её решения обусловлена тем, что при каждом последующем ударно-импульсном воздействии на поверхность инденторы, обладая неизменной энергией, взаимодействуют с модифицированной поверхностью, имеющей повышенные физико-механические характеристики. В этой связи, следует отметить экспериментально подтверждённый факт, который заключается в следующем. При достижении физико-механических поверхности предельных значений ударно-импульсные воздействия будут приводить к её разрушению.

Поэтому для установления функциональной зависимости изменения параметров качества в процессе упрочняющей обработки поверхностного слоя были рассмотрены результаты экспериментальных исследований, приведённых в научно-технической литературе, посвящённой исследованию формирования технологических параметров поверхности динамическими методами ППД, реализующих процесс обработки конвективными потоками свободнодвижущихся инденторов [1, 3 - 5]. Анализ показал, что большинство полученных в результате исследований зависимостей изменения технологических параметров упрочнённого поверхностного слоя, установлены в функции от продолжительности обработки, которые в общем виде можно охарактеризовать следующим образом

Y = f

где Y — значение технологического параметра поверхностного слоя, упрочнённого за промежуток времени t, при котором обеспечивается кратное покрытие поверхности пластическими отпечатками.

Взаимосвязь продолжительности обработки tk с кратностью покрытия обрабатываемой поверхности пластическими отпечатками k определяется соотношением [1].

tk = 1k~, (6) P w

где P - вероятность формирования на поверхности пластического отпечатка; w - частота энергоимпульсов, сообщаемых свободнодвижущимся инденторам.

Представим экспериментальные зависимости в виде

Y = X

С целью установления функционала X (k), характеризующего изменение технологического параметра в зависимости от кратности покрытия обрабатываемой поверхности пластическими отпечатками при упрочняю-

щей обработке проведена аппроксимация кривых, полученных по результатам экспериментальных исследований, с использованием метода наименьших квадратов.

В качестве обобщённой аппроксимирующей функции была принята логарифмическая функция вида

X

где а, Ь - коэффициенты аппроксимации. Рассмотрим полученные аппроксимирующие зависимости для технологических параметров качества упрочнённого поверхностного слоя.

На рис. 1 представлены экспериментальные зависимости изменения среднеарифметической высоты профиля микронеровностей, из которых следует, что с увеличением продолжительности обработки высота профиля микронеровностей уменьшается до достижения определённой величины, соответствующей, согласно [3] величине установившейся шероховатости.

Ка, мкм

Рис. 1. Изменение среднеарифметической высоты профиля микронеровностей (Яа) в зависимости от продолжительности виброударной обработки: А - амплитуда вибрации;

Б - диаметр шарика

Анализ экспериментальных зависимостей изменения физико-механических характеристик упрочнённого поверхностного слоя т.к. микротвёрдость, глубина упрочнённого слоя, величина остаточных напряжений первого рода в функции от продолжительности обработки, представленных на рис. 2 - 4, показал, что с увеличением времени обработки наблюдается рост этих характеристик до какой - то предельной величины.

Дальнейшая обработка приводит к их снижению в результате его перенаклёпа, приводящего к разрушению поверхностного слоя.

59

Рис. 2. Изменение микротвердости поверхности в зависимости от продолжительности виброударной обработки: А - амплитуда вибрации; В - диаметр шарика [3]

Рис. 3. Изменение величины остаточных напряжений на поверхности в зависимости от продолжительности виброударной обработки:

В - диаметр шарика [3]

Рис. 4. Изменение глубины упрочнения в зависимости от продолжительности виброударной обработки: А - амплитуда вибрации; В - диаметр шарика [3]

60

Аппроксимация экспериментальных зависимостей по методу наименьших квадратов позволила получить численные значения коэффициентов функционалов, характеризующих изменения исследуемых параметров от кратности покрытия обрабатываемой поверхности пластическими отпечатками и представленных в виде

Я-

Оо(к) = а4 -\пк + Ь4.

Сравнительный анализ величины аппроксимирующего коэффициент Ъ, ас величиной расчетного значений исследуемых параметров по формулам (1-4) показал, что

2 Э

пИНМ

32 Э

кИ НМ

•100%,

-1.5.41

32 ЭР кНМ

с

0.481

(1.54-10-3),

^0.2

\

{гпр}

.0.8

Представим коэффициент перед логарифмической функцией в виде

°° В'

=кк ^

Ь^ 1 £>

а2 _ г Т2~Кну~ъ

ы, ь ь4 г

где (Л0 - диаметр пластического отпечатка, определяемый по формуле, предложенной в работе [1]; К^ =0,25-0,3; К^у, К],9 Кс =0,15-0,1% -

коэффициенты корректировки изменения микропрофиля, микротвёрдости, глубины упрочнённого слоя, величины остаточных напряжений первого рода в процессе ППД.

С учётом (9) - (14), получим формулы для расчётно-аналитической оценки параметров качества поверхностного слоя упрочнённого в процессе магнитодинамической обработки:

' ¿о л

т =

я

2Л1СХ

I 2 Э пИНМ

1 -К» к х О

32 Э

кИНМ

100%

1+А:

НУ^к

МУ 0

\

k

Щ "

1.5-

\0.2

In к

Предложены расчётно-аналитические зависимости, устанавливающие связь параметров качества упрочнённого ППД поверхностного елояК^ , Кну, К^, К0о с энергией ударно-импульсного воздействия на

неё свободнодвижущихся в условиях вращающегося электромагнитного

поля инденторов, характеристиками качества исходной поверхности и условиями обработки.

1. Лебедев В.А. Технология динамических методов поверхностного пластического деформирования: научное издание. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2006. 183 с.

2. Кочубей A.A. Использование вращающегося электромагнитного поля в технологических целях // Юбилейная конференция студентов и молодых ученых, посвященная 85-летию ДГТУ: сб. науч. тр. Ростов н/Д, 2015. С. 3515 - 3521.

3. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии / Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. 694 с.

4. Копылов Ю.Р. Виброударное упрочнение. Воронеж: Воронежский институт МВД России, 1999. 386 с.

5. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э. Технологические основы обработки деталей ППД в гранулированных рабочих средах // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиастроении: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. Рыбинск. 2012. С. 24-32.

Лебедев Валерий Ачександрович, канд. техн. наук, проф., va. lebidev(a)vcmdex. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Кочубей Анатолий Анатольевич, асп., \vatchbox(cpmai1. ru. Россия, Ростов-на-Дону, Донской Государственный технический университет,

Чумак Ирина Валентиновна, канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой, chumakirhiatxpmail.ru, Россия, Азов, Технологический институт

Список литературы

ДГТУ

Проблемы точности и качества обработки и сборки

EVALUATION OF QUALITY PARAMETERS OF THE SURFACE LAYER HARDENED IN THE PROCESS OF THE MAGNETO-DYNAMIC PROCESSING

V.A. Lebedev, A.A. Kochubey, A. V. Chumak

Settlement and analytical relationships that establish the connection quality parameters SDA hardened surface layer with an energy shock-wave effects on her free under electromagnetic field indenter quality characteristics of the original surface, and processing conditions are proposed.

Key words: surface plastic deformation, indentation, hardening, surface quality, processing magnetodynamic.

Lebedev Valery Aleksandrovich, candidate of technical sciences, professor, va. lebide v@ yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Kochubey Anatoly Anatolyevich, postgraduate, watchboxamail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Chumak Irina Valentinovna, candidate of technical sciences, head of chair, chumaki-rina@,mail.ru, Russia, Azov, Technological Institute (branch) of DSTU