сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Муром, Владимирская область, Россия
сотрудник
Муром, Владимирская область, Россия
студент
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
ВАК 05.02.2008 Технология машиностроения
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
Рассмотрена проблема необходимости учета реальных размеров изделий при их упрочнении волной деформации. Предварительными исследованиями установлено значимое влияние на процесс упрочнения волной деформации геометрических размеров упрочняемых образцов, так как при одинаковых объемах обрабатываемого материала и режимах обработки наблюдаются разные эпюры распределения микротвердости в поверхностном слое. Впервые установлена перспективность исследования закономерностей сквозного упрочнения образцов разных форм и размеров и возможности бесконтактного деформационного упрочнения противоположных воздействию волн деформации сторон образца, имеющих в том числе и сложнопрофильную форму, а также возможности бесконтактного деформационного упрочнения внутренних труднодоступных поверхностей.
волновое деформационное упрочнение, ВДУ, импульс, ударная система, волновод, боек, размеры изделия
Введение
Использование энергии волновых процессов лежит в основе разных способов ударного нагружения. Термин «волна деформации», как правило, ассоциируется с упрочнением взрывом. Первые попытки использования энергии взрыва для обработки металлов были сделаны еще в конце 19 века. Более планомерные исследования упрочнения взрывом начались с 50-х годов 20 века и связаны с именами выдающихся ученых, среди которых можно назвать Л. Эйлера, X. Гюгонио, Д. Чепмена, Э. Жуге, Дж. Тэйлора, В.А. Михельсона, Я.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, М.А. Лаврентьева, Л.Д. Ландау, К.П. Станюковича, Л.И. Седова, А.Ф. Беляева, М.А. Садовского, А. С. Компанейца, Ю.А. Кована, А.А. Дерибаса, В.И. Зельдовича, И.Ф. Кобылкина, М.И. Алымова, И.В. Хомскую и других [1]. Так, применение в работах проф. Хомской И.В. нового метода ППД - динамического канально-углового прессования, основанного на комбинированном воздействии высокоскоростной деформации сдвига, ударно-волнового сжатия и температуры, позволило установить детальную картину изменения фазовых и структурных состояний в сплавах на основе железа и меди при экстремальных ударно- волновых и деформационных воздействиях [2].
Использование энергии волновых процессов также легло в основу нового метода виброударной обработки - шарико-стержневого упрочнения (ШСУ). При ШСУ передача ударного импульса в очаг деформации происходит от пневмоустройства через замкнутый объем стальных закаленных шаров к упаковке стержней. Данный способ сочетает в себе достоинства виброударной обработки (гибкость обрабатываемой среды) и чеканки (высокое импульсное воздействие) и позволяет обрабатывать как локальные области, так и длинномерные, крупногабаритные детали. Например, ШСУ алюминиевых сплавов позволяет повысить их предел выносливости до 28 % и обеспечить упрочнение на глубине до
При реализации как приведенных современных, так и хорошо известных методов ППД, в основе которых лежит использование энергии волновых процессов, не учитывается влияние конечных размеров и форм образцов на результаты упрочнения. Однако последние исследования в этой области установили значимое влияние на процесс упрочнения волной деформации геометрических размеров упрочняемых образцов, так как при одинаковых объемах обрабатываемого материала и режимах обработки наблюдаются разные карты распределения микротвердости в поверхностном слое [5]. Сложность учета влияния конечных размеров и форм образцов на результаты упрочнения рассмотренными современными способами ППД связана со спецификой их процессов. Так, при шарико-стержневом упрочнении исследование влияния конечных размеров и форм образцов на результаты обработки затруднено тем, что, во-первых, ограничены возможности способа по управлению параметрами ударного импульса, во-вторых, при использовании небольших энергий ударных импульсов, которые достаточно быстро затухают в поверхностном слое, рекуперация энергии импульсов отсутствует. Применение динамического канально-углового прессования также не позволит в полном объеме провести исследование влияния конечных размеров и форм образцов на результаты обработки. Это связано с использованием для реализации способа высокоскоростных деформаций сдвига и ударно-волнового сжатия (вызванного взрывом), которые в силу быстротечности процесса ещё и формируют ударные импульсы высоких энергий. К тому же применение данного способа для локального упрочнения экономически и энергетически невыгодно.
Развитие способа волнового деформационного упрочнения (ВДУ) началось в 90-х годах прошлого века, в 1997 году получен первый патент [6]. В основе ВДУ, как и в двух предыдущих способах ППД, лежит использование энергии волновых процессов. Генерирование ударных импульсов происходит в ударной системе с промежуточным звеном. Она позволяет формировать ударные импульсы, состоящие из головной и хвостовой частей. Хвостовая часть импульса формируется за счет рекуперации энергии волн деформации и зависит от свойств нагружаемой среды. Использование хвостовой части позволяет пролонгировать воздействие ударного импульса на нагружаемую среду, интенсифицировать упругопластическую деформацию и увеличить коэффициент полезного действия процесса. Процесс нагружения материала волной деформации отличается расширенным набором управляющих факторов, что дает широкие возможности управления параметрами импульсов, расширяет возможности деформационной обработки, позволяет создавать слой с заданной равномерностью упрочнения, глубиной более 6…8 мм. Упрочненный слой формируется в результате многократных импульсных воздействий, очаги которых имеют относительное смещение. Кратность и сила импульсного воздействия, размеры очага деформации, определяемые из решения контактной задачи, закономерность изменения свойств материала по глубине поверхностного слоя в результате однократного импульсного воздействия определяют характер эпюры свойств градиентно упрочненного поверхностного слоя [8]. Высокая (акустическая) скорость распространения волны деформации в материале (порядка 5000 м/с), возможность управления интенсивностью и длительностью силового воздействия на фрагменты поверхностного слоя позволяют отнести данный способ обработки к способам интенсивной пластической деформации материала.
Материалы, методы и результаты исследований
Для выявления закономерностей влияния размеров обрабатываемого изделия на распределение микротвердости в поверхностном слое при его упрочнении волной деформации проводился следующий предварительный эксперимент [5]. В качестве среды нагружения использовались прямоугольные образцы из стали 45, отличающиеся друг от друга размерами (диапазон варьирования: длина - 50, 100, 1500 мм; ширина - 20, 40 мм; толщина - 10, 20 мм). Данные образцы упрочнялись волной деформации на одном и том же режиме: энергия ударов 35 Дж; частота ударов 23 Гц; коэффициент перекрытия К = 0,4; инструмент - стержневой ролик диаметром 10 мм и шириной 7 мм. После упрочнения образцы разрезались в направлении продольной подачи инструмента ВДУ и в полученном сечении измерялась микротвердость (рис. 1).
Рис. 1. Примеры разрезанных образцов после ВДУ
Анализ данных показал, что полученные карты распределения микротвердости образцов имеют разный характер, несмотря на то что они упрочнялись с одним и тем же режимом ВДУ (рис. 2). Также установлено, что у образцов с отличными геометрическими размерами, но одинаковыми объемами (например, объем образцов 50х40х20 и 100х40х10 мм одинаков и равен 40000 мм3) разные карты распределения микротвердости [5]. Данные факты подтверждают влияние размеров образцов на распределение микротвердости при ВДУ и поднимают проблему необходимости учета этой особенности в дальнейшем.
Рис. 2. Карты распределения микротвердости (Мпа) [5]
В настоящее время технология волнового деформационного упрочнения достаточно широко применяется для решения задач повышения срока службы изделий в различных отраслях промышленности. Так, упрочнение ВДУ сердечников крестовин стрелочных железнодорожных переводов типа Р65 марки 1/11 позволило повысить их срок службы в 3 раза (рис. 3) [9]. Однако в зависимости от назначения стрелочных переводов (железнодорожные, метрополитеновские, трамвайные и их модификации) сердечники крестовин имеют большую номенклатуру типоразмеров. Также в отливках сердечников могут образовываться пустоты, поэтому (исходя из размеров изделия, наличия внутренних неоднородностей) при упрочнении их волной деформации могут появиться новые эффекты, что затруднит выбор режимов упрочнения исходя из специфики процесса.
Рис. 3. Схема упрочнения сердечника крестовин стрелочных переводов [9]
|
Одной из проблемных областей машиностроения является упрочнение наружных и внутренних фасонных поверхностей изделий, которые невозможно подвергнуть термическому или контактному воздействию инструментом или средой. Для решения данной проблемы можно использовать способ ВДУ. Так, при упрочнении волной деформации внутренних поверхностей втулок из стали 45 установлено одновременное повышение степени упрочнения на 80-90 % на глубине
Примеров изделий, где возможно применить особенности упрочнения волной деформации, можно приводить достаточно много. Дальнейшее исследование данного направления весьма актуально, в целом оно нуждается в более глубоком изучении.
Для достижения поставленной цели необходимо выявить взаимосвязи между параметрами волны деформации, формой и размерами упрочняемых образцов и картой микротвердости поверхностного слоя, характеризующей его упрочнение.
Более детальный алгоритм решения поставленной проблемы включает в себя следующие задачи:
1. Разработать экспериментальный стенд для нагружения образцов с конечными размерами импульсами с разной длительностью, энергией и скважностью их нанесения.
2. Провести на стенде исследования, позволяющие экспериментально установить взаимосвязи между параметрами волны деформации, формой и размерами упрочняемых образцов и картой микротвердости поверхностного слоя, характеризующей его упрочнение.
3. Разработать конечноэлементную модель материала образцов с учетом полученных экспериментальных данных.
4. Разработать конечноэлементную модель процесса волнового деформационного упрочнения, позволяющую проводить исследования взаимосвязей между параметрами волны деформации, формой и размерами упрочняемых образцов и картой микротвердости поверхностного слоя, характеризующей его упрочнение.
5. Установить на основе полученных данных взаимосвязи между параметрами волны деформации, формой и размерами упрочняемых образцов и картой микротвердости поверхностного слоя, характеризующей его упрочнение.
Заключение
В результате предварительных исследований установлено значимое влияние на процесс упрочнения волной деформации геометрических размеров упрочняемых образцов, так как при одинаковых объемах обрабатываемого материала и режимах обработки наблюдаются разные эпюры распределения микротвердости в поверхностном слое. Дальнейшие исследования в данной области позволят не только выявить закономерности сквозного упрочнения образцов разных форм и размеров, но и установить возможность бесконтактного деформационного упрочнения противоположных воздействию ВДУ сторон образца, имеющих сложную форму, а также возможность бесконтактного деформационного упрочнения внутренних труднодоступных поверхностей.
1. Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии: учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 518 с.
2. Хомская И.В. Фазовые и структурные превращения в сплавах на основе железа и меди при интенсивных ударно-волновых и деформационных воздействиях: дис. … д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2014. 299 с.
3. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Ростов н/Д: ДГТУ, 2008. 694 с.
4. Бабичев А.П., Мотренко П.Д., Бабичев И.А. Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом. Ростов н/Д: ДГТУ, 2003. 192 с.
5. Kirichek A.V., Barinov S.V., Yashin A.V. The peculiarities of the influence of the finite sizes of a detail on the distribution of the surface layer micro-hardness in case it is hardened by a deformation wave // Journal of Nano and Electronic Physics. 2015. Vol. 7, no. 4. Р. 04019.
6. Пат. 2098259 РФ. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Бюл. № 34. 1997.
7. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Степанов Ю.С., Соловьев Д.Л. Механика нагружения поверхности волной деформации. М.: Машиностроение-1, 2005. 149 с.
8. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
9. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. [и др.]. Упрочнение тяжелонагруженных поверхностей крестовин стрелочных переводов // Состояние и перспективы развития дорожного комплекса: сб. науч. ст. Брянск: БГИТА, 2001. Вып. 3. С. 39-41.
10. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Медведев М.Н. Экспериментальные исследования статико-импульсного деформационного протягивания // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 1 (55). С. 38-42.
