Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
Predlozheno ispol'zovat' dlya povysheniya ekspluatacionnyh svoystv tochnyh i nezhestkih detaley kombinirovannuyu rezhusche-deformiruyuschuyu obrabotku poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem, pozvolyayuschuyu formirovat' geterogennuyu strukturu poverhnostnogo sloya. Provedeno modelirovanie geterogennogo uprochneniya rezhusche-deformiruyuschey obrabotkoy PPD metodom konechnyh elementov v programme DEFORM 2D.
: geterogennoe uprochnenie, poverhnostnoe plasticheskoe deformirovanie, PPD, rezhusche-deformiruyuschaya obrabotka, metod konechnyh elementov
Установлено, что добиться существенного повышения эксплуатационных свойств деталей машин можно с помощью формирования на их рабочих поверхностях гетерогенной структуры, состоящей из чередующихся участков высокой и низкой твердости [1-3]. Наличие в поверхностном слое твердых упрочненных участков, чередующихся с менее упрочненными вязкими, способствует торможению развития микротрещин и, следовательно, повышению усталостной прочности материала [1; 2]. При абразивном изнашивании поверхности твердые включения в пластичной основе затрудняют контакт абразивных частиц с материалом основы, что позволяет многократно увеличить износостойкость по сравнению с равномерно упрочненным поверхностным слоем [3].
Известно, что существенно повысить усталостную прочность деталей машин можно с помощью обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) [4; 5]. Особенно эффективным является применение гетерогенного упрочнения ППД [2; 4]. Для получения гетерогенных структур при упрочнении точных и нежестких деталей целесообразно использовать комбинированную режуще-деформирующую обработку ППД [6]. При реализации режуще-деформирующей обработки ППД на упрочняемой поверхности заготовки вначале нарезается волнистый рельеф (рис. 1). Затем деталь подвергается обкатыванию гладким цилиндрическим роликом с целью сглаживания рельефа и формирования гладкой рабочей поверхности детали. При деформировании металл перемещается роликом из выступов нарезанного рельефа во впадины. Рельеф на заготовке при этом располагается относительно номинального размера детали таким образом, чтобы объем его выступов был равен объему впадин.
Степень и равномерность упрочнения при режуще-деформирующей обработке ППД будут зависеть от параметров волнистого рельефа: его формы, шага P, высоты h. Влияние размеров деформирующего инструмента менее значительно. С точки зрения технологии нарезания наиболее предпочтительными являются профили рельефа треугольной и круглой формы. Эквивалентные деформации при ППД волнистого рельефа с различной формой профиля, полученные при моделировании процесса с помощью метода конечных элементов (МКЭ) [7], приведены на рис. 2. Для моделирования ППД с помощью МКЭ использовалась программа DEFORM 2D.
Механические свойства материала модели (сталь 45) заданы выбором соответствующей диаграммы пластичности из встроенной базы DEFORM. Скорость накатывания при моделировании составляла 5 мм/с. Диаметр инструмента был принят равным 10 мм, шаг нарезаемого рельефа - 1 мм. Поскольку деформации от резания значительно меньше деформаций, возникающих при пластическом деформировании [8], предварительное моделирование нарезания не производилось, а форма нарезанного профиля задавалась соответствующей начальной геометрией заготовки.
Распределение эквивалентных деформаций на глубине 0,1 мм под поверхностью детали при обкатывании круглого и треугольного профиля для 4 крайних левых витков (рис. 2) приведено на рис. 3. Из рис. 2 и 3 видно, что треугольный профиль обеспечивает большую степень деформации и, следовательно, упрочнения по сравнению с круглым. Наибольшая степень деформации при этом обеспечивается более острым профилем. Однако при обкатывании острого профиля возможно образование на поверхности заготовки складок - закатов. В связи с этим наиболее предпочтительным для гетерогенного упрочнения режуще-деформирующей обработкой ППД представляется использование предварительно нарезанного рельефа треугольного профиля с углом 90°. Шаг рельефа не должен превышать 1,5 мм, а высота - 0,7 мм. Наружный диаметр заготовки может быть предварительно рассчитан исходя из равенства объемов до и после деформирования, а затем уточнен путем обкатывания пробной ступенчатой заготовки [9; 10].
Для проведения экспериментальных исследований технологических процессов упрочнения ППД разработана и изготовлена экспериментальная накатная головка (рис. 4). Головка имеет три равномерно расположенных по окружности свободно вращающихся деформирующих ролика. Благодаря этому в головке создается замкнутая система сил, обеспечивающая отсутствие изгиба нежестких заготовок и передачи сил деформирования на шпиндель станка. Диапазон возможных диаметров заготовок составляет 10…60 мм. Настройка головки на размер производится подбором диаметров роликов. Головка может использоваться на станках сверлильной и токарной групп.
Фотография (с увеличением в 10 раз) нарезанного на образце диаметром 20 мм треугольного рельефа с шагом 1 мм и углом профиля 60° до и после обкатывания экспериментальной головкой приведена на рис. 5. Геометрия поверхности в целом соответствует полученной при моделировании процесса с помощью МКЭ. В частности, результаты натурного эксперимента подтверждают предположение о том, что обкатывание остроугольного профиля может приводить к образованию на поверхности заготовки закатов.
Профилограмма поверхности образца после обкатывания представлена на рис. 6. Шероховатость поверхности Ra после ППД треугольного рельефа составляет порядка 2 мкм. Волнистость получаемой после обкатывания поверхности незначительна. Данные результаты следует признать удовлетворительными.
В результате проведенных исследований разработаны и апробированы инструмент, оснастка и технология гетерогенного упрочнения цилиндрических поверхностей режуще-деформирующей обработкой ППД. Основными размерами заготовки при данном виде обработки являются шаг и высота нарезанного рельефа и наружный диаметр заготовки. Наиболее предпочтительным для гетерогенного упрочнения режуще-деформирующей обработкой ППД представляется использование предварительно нарезанного рельефа треугольного профиля с углом 90° и шагом до 1,5 мм.
Экспериментальные исследования режуще-деформирующей обработки ППД доказали возможность ее реализации и подтвердили адекватность моделирования процесса с помощью МКЭ.
Выполнение приведенных рекомендаций позволит обеспечить существенное (до полутора раз) повышение усталостной прочности тяжелонагруженных поверхностей деталей машин.
1. Ivanov, G.P. Povyshenie iznosostoykosti detaley sozdaniem regulyarnoy geterogennoy makrostruktury / G.P. Ivanov, L.V. Kartonova, A.A. Hudoshin // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. - 1997. - № 1. - S. 33-34.
2. Kirichek, A.V. Sozdanie geterogennoy struktury materiala statiko-impul'snoy obrabotkoy / A.V. Kirichek, D.L. Solov'ev // STIN. - 2007. - № 12. - S. 28-31.
3. Smelyanskiy, V.M. Tehnologicheskoe povyshenie iznosostoykosti detaley metodom elektroero-zionnogo sinteza pokrytiy / V.M. Smelyanskiy, V.A. Zemskov // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. - 2005. - № 1. - S. 27-35.
4. Kirichek, A.V. Tehnologiya i oborudovanie statiko-impul'snoy obrabotki poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem / A.V. Kirichek, D.L. Solov'ev, A.G. Lazutkin. - M.: Mashinostroenie, 2004. - 288 s. - (B-ka tehnologa).
5. Tehnologiya i instrumenty otdelochno-uprochnyayuschey obrabotki detaley poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem: spravoch-nik: v 2 t. / pod obsch. red. A.G. Suslova. - M.: Mashinostroenie, 2014.
6. Afonin, A.N. Geterogennoe uprochnenie detaley gorno-metallurgicheskih mashin poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem / A.N. Afonin, A.I. Larin, A.V. Makarov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Chernaya metallurgiya. - 2015. - T. 58. - № 11. - S. 823-828.
7. Mohammadi, F. Finite element analysis and design optimization of low plasticity burnishing process / F. Mohammadi, R. Sedaghati, A. Bonakdar // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2014. - Vol. 70. - Is. 5-8. - P. 1337-1354.
8. Kirichek, A.V. Effektivnye tehnologii dornovaniya, protyagivaniya i deformiruyuscherezhuschey obrabotki: kol. monogr. / A.V. Kirichek, S.K. Ambrosimov, A.R. Ingemansson [i dr.]; pod red. A.V. Kiricheka. - M.: Spektr, 2011. - 328 s.
9. Kirichek, A.V. Rez'bonakatyvanie / A.V. Kirichek, A.N. Afonin. - M.: Mashinostroenie, 2009. - 312 s. - (B-ka tehnologa).
10. Lapin, V.V. Nakatyvanie rez'b, chervyakov, shlicev i zub'ev / V.V. Lapin, M.I. Pisarevskiy, V.V. Samsonov, Yu.I. Sizov. - L.: Mashinostroenie, Leningr. otd-nie, 1986. - 228 s.
