Россия
Россия
Россия
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Предложено использовать для повышения эксплуатационных свойств точных и нежестких деталей комбинированную режуще-деформирующую обработку поверхностным пластическим деформированием, позволяющую формировать гетерогенную структуру поверхностного слоя. Проведено моделирование гетерогенного упрочнения режуще-деформирующей обработкой ППД методом конечных элементов в программе DEFORM 2D.
: гетерогенное упрочнение, поверхностное пластическое деформирование, ППД, режуще-деформирующая обработка, метод конечных элементов
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. Иванов, Г.П. Повышение износостойкости деталей созданием регулярной гетерогенной макроструктуры / Г.П. Иванов, Л.В. Картонова, А.А. Худошин // Строительные и дорожные машины. - 1997. - № 1. - С. 33-34.
2. Киричек, А.В. Создание гетерогенной структуры материала статико-импульсной обработкой / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев // СТИН. - 2007. - № 12. - С. 28-31.
3. Смелянский, В.М. Технологическое повышение износостойкости деталей методом электроэро-зионного синтеза покрытий / В.М. Смелянский, В.А. Земсков // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - № 1. - С. 27-35.
4. Киричек, А.В. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. - М.: Машиностроение, 2004. - 288 с. - (Б-ка технолога).
5. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: справоч-ник: в 2 т. / под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2014.
6. Афонин, А.Н. Гетерогенное упрочнение деталей горно-металлургических машин поверхностным пластическим деформированием / А.Н. Афонин, А.И. Ларин, А.В. Макаров // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2015. - Т. 58. - № 11. - С. 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. Киричек, А.В. Эффективные технологии дорнования, протягивания и деформирующережущей обработки: кол. моногр. / А.В. Киричек, С.К. Амбросимов, А.Р. Ингеманссон [и др.]; под ред. А.В. Киричека. - М.: Спектр, 2011. - 328 с.
9. Киричек, А.В. Резьбонакатывание / А.В. Киричек, А.Н. Афонин. - М.: Машиностроение, 2009. - 312 с. - (Б-ка технолога).
10. Лапин, В.В. Накатывание резьб, червяков, шлицев и зубьев / В.В. Лапин, М.И. Писаревский, В.В. Самсонов, Ю.И. Сизов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 228 с.
