Разработка и исследование способа деформационного упрочнения поверхностей деталей методом деформирующего резания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Шуляк, Ян Игоревич

  • Шуляк, Ян Игоревич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2017, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ05.02.07
  • Количество страниц 233
Шуляк, Ян Игоревич. Разработка и исследование способа деформационного упрочнения поверхностей деталей методом деформирующего резания: дис. кандидат технических наук: 05.02.07 - Автоматизация в машиностроении. Москва. 2017. 233 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шуляк, Ян Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список принятых сокращений

Введение

Глава 1. Разработка способа формирования поверхностного упрочненного макрорельефа методом деформирующего резания

1.1. Механизм упрочнения металлов при пластическом деформировании

1.2. Методы поверхностного пластического деформирования

1.3. Способ создания упрочненного макрорельефа методом

деформирующего резания

1.4 Постановка цели и задачи исследования

Глава 2. Методические особенности экспериментальных исследований

2.1. Режущий инструмент для деформирующего резания

2.2. Выбор марки обрабатываемого материала

2.3. Особенности получения исследуемых типов макрорельефа на сталях методом деформирующего резания

2.4. Особенности подготовки шлифов для исследования степени упрочнения макрорельефа, получаемого на сталях

2.5. Особенности измерения микротвердости образцов

2.6. Установка для испытаний на трение и износ на базе машины трения модели Ашв1ег А135

Глава 3. Разработка методики расчета твердости упрочненного

макрорельефа

3.1. Элементы теории пластичности, используемые для определения твердости материала, упрочненного методом деформирующего резания

Стр.

3.2. Расчетная схема очага пластической деформации при обработке методом деформирующего резания

3.3. Задание скоростей течения материала в очаге пластической деформации процесса деформирующего резания

3.4. Определение скоростей деформаций в очаге пластической деформации при обработке методом деформирующего резания

3.6. Определение накопленной деформации материала, упрочненного методом деформирующего резания

3.6.1. Определение функций скоростей течения материала и интенсивностей скоростей деформаций в конкретном виде

3.6.2. Схема границ областей пластических деформаций для определения накопленной деформации материала

3.6.3. Вычисление траектории движения элементарного объема деформируемого материала в очаге пластической деформации

3.6.4. Определение времени движения элементарного объема деформируемого материала в области пластической деформации

3.6.5. Определение накопленной деформации

3.7. Определение твердости формируемого ребра

3.8. Расчет теоретических значений твердости макрорельефа, формируемого методом деформирующего резания, и их сравнение с экспериментально измеренными значениями

Глава 4. Особенности распределения микротвердости в макрорельефе, полученном методом деформирующего резания

4.1. Особенности распределения микротвердости по высоте ребра

на сталях 30ХГСА и 38Х2МЮА

4.2. Особенности распределения микротвердости по ширине ребра

на стали 30ХГСА

4.3. Влияние режимов деформирующего резания на твердость макрорельефа

Стр.

4.4. Особенности распределения микротвердости в упрочненном

макрорельефе на стали 12Х18Н10Т

Глава 5. Исследование износостойкости поверхностей трения с упрочненным макрорельефом

5.1. Оценочные испытания на трение и износ деформационноупрочненных поверхностей трения на сталях 30ХГСА и 38Х2МЮА

5.2. Испытание на трение и износ поверхностей трения с деформационноупрочненным макрорельефом на стали 08Х18Н10Т

Глава 6. Формирование упрочненного поверхностного макрорельефа на сталях методом деформирующего резания

6.1. Требования к обрабатываемому материалу заготовки

6.2. Входной контроль материала заготовки

6.2.1. Определение химического состава стали

6.2.2. Контроль твердости обрабатываемого материала

6.2.3. Измерение относительного удлинения

6.3. Требования к заготовке и ее поверхности

6.4. Подготовка поверхности заготовки перед обработкой методом деформирующего резания

6.5. Режущий инструмент для формирования упрочненного поверхностного макрорельефа на стали методом деформирующего резания

6.6. Обработка методом деформирующего резания

Выводы и заключение

Список литературы

Приложение

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ДР - деформирующее резание

ДЭ - деформирующий элемент

ППД - поверхностное пластическое деформирование

ХТО - химико-термическая обработка

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Автоматизация в машиностроении», 05.02.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование способа деформационного упрочнения поверхностей деталей методом деформирующего резания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В машиностроении широко известна проблема повышения параметров износостойкости поверхностей трения скольжения. Для ее решения используется множество методов поверхностного упрочнения. Каждый из методов обладает своими преимуществами и недостатками. В большинстве случаев упрочнение материала обеспечивается изменением его химического состава, проведением структурных и фазовых превращений, изменением плотности дислокаций при пластическом деформировании и другими способами. Среди используемых методов упрочнения часто используются методы поверхностного пластического деформирования (ППД), основанные на эффекте деформационного упрочнения материала. Обработка методами ППД для создания упрочненного поверхностного слоя на деталях менее энергозатратна по сравнению с термическими и химико-термическими способами упрочняющей поверхностной обработки, что делает методы ППД актуальными для поверхностного упрочнения сталей и незакаливаемых сплавов. К основным недостаткам существующих методов ППД относятся малая глубина упрочнения, неравномерное распределение твердости по толщине упрочненного слоя, использование сборных дорогостоящих приспособлений, необходимость предварительного экспериментального подбора оптимальных режимов обработки. Наличие существующих недостатков делает актуальным поиск и разработку новых способов поверхностного упрочнения.

Перспективным способом поверхностного упрочнения, позволяющим создавать упрочненный слой на поверхности заготовки, является метод деформирующего резания (ДР), разработанный на кафедре инструментальной техники и технологий МГТУ им. Н.Э Баумана. Метод

защищен патентом РФ № 2044606, в котором сформулирована идея использования метода ДР как способа поверхностного упрочнения.

Метод ДР относится к способам лезвийно-деформирующей обработки и позволяет без отделения стружки формировать на поверхности детали макрорельеф из чередующихся выступов и впадин. Метод реализуется по различным кинематическим схемам обработки, включающим точение, строгание и фрезерование, на станках соответствующих групп. Отличие режущей части инструмента для ДР заключается в наличии деформирующей кромки, исключающей процесс резания на ней, вместо вспомогательной режущей кромки. Передний угол на деформирующей кромке имеет значительные отрицательные значения, что препятствует отделению стружки от заготовки. Режущая кромка разделяет припуск заготовки на слои, которые скользят по передней поверхности инструмента и перегибаются через деформирующую кромку. Подрезаемые слои обрабатываемого материала образуют на наружной поверхности детали совокупность чередующихся ребер, которую называют оребрением. Полученные ребра, по сути, являются не отделившейся от заготовки стружкой. Материал подрезаемого слоя при формировании ребра претерпевает значительные пластические деформации, характерные для стружки при обработке резанием, и упрочняется. Таким образом, получаемое методом ДР оребрение можно рассматривать как упрочненный поверхностный слой с толщиной равной высоте получаемых ребер. Эффект повышения твердости формируемого макрорельефа обосновывает использование метода ДР как способа создания упрочненного поверхностного слоя на поверхности детали методом механической обработки с использованием лезвийно-деформирующего инструмента.

Преимуществами формирования упрочненного слоя методом ДР перед методами ППД является отсутствие падения твердости по глубине упрочненного слоя, использование простого по конструкции инструмента и универсального оборудования. По производительности метод ДР сопоставим с однопроходным накатыванием и алмазным выглаживанием и превосходит

многопроходную обработку этими методами. Данные преимущества метода ДР делают актуальным его применение на практике для повышения твердости поверхностей деталей.

Для использования метода ДР при формировании упрочненного слоя актуальной задачей является разработка математической модели, позволяющей производить расчет твердости и глубины получаемого упрочненного слоя, а также обоснованно подходить к выбору режимов ДР и геометрических параметров инструмента.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эксплуатационных характеристик деталей трения путем деформационного упрочнения их поверхностного слоя с использованием деформирующего резания.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выполнить обзор методов деформационного упрочнения наружных поверхностей деталей,

- провести анализ метода ДР как способа формирования деформационноупрочненного макрорельефа на поверхности детали,

- разработать расчетную методику определения твердости упрочненного макрорельефа, получаемого методом ДР,

- экспериментально подтвердить результаты теоретического расчета твердости упрочненного макрорельефа, получаемого методом ДР,

- исследовать распределения твердости в характерных зонах упрочненного макрорельефа,

- определить влияния геометрических параметров инструмента и режимов ДР на твердость формируемого макрорельефа.

- подтвердить повышение износостойкости упрочненных поверхностей, созданных методом ДР,

- разработать рекомендации по практическому использованию предлагаемого способа упрочнения.

Методы исследования и достоверность. Для решения поставленных задач в работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Построение теоретической модели расчета твердости материала макрорельефа, формируемого методом ДР, осуществлялось с использованием метода пластического течения, разработанного профессором А.Л. Воронцовым. Математическое описание геометрии режущего инструмента ДР выполнялось на основе положений аналитической геометрии. Результаты теоретических исследований базируются на фундаментальных основах теории пластичности и подтверждаются результатами исследований.

Экспериментальные исследования проводились по проверенным методикам с использованием комплекса современного измерительного оборудования в лаборатории кафедры инструментальной техники и технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана. В процессе экспериментов использовались современные средства сбора и обработки данных. Измерения микротвердости макрорельефа осуществлялись на микротвердомере модели ПМТ3, оснащенным цифровой фото-видеокамерой модели Levenhuk С510. Испытания на трение и износ проводились на машине трения Amsler A135, модернизированной с участием автора для автоматизации сбора и обработки данных.

Научная новизна. Обосновано использование деформирующего резания для поверхностного деформационного упрочнения деталей машин. Совокупность подрезанных, пластически деформированных, регулярно расположенных ребер, сохранивших прочную связь с обработанной заготовкой, образует упрочненный слой с повышенной твердостью, износостойкостью и глубиной.

На основе положений теории пластичности установлена математическая зависимость твердости упрочненного поверхностного слоя от геометрических параметров инструмента и режимов деформирующего резания. Доказано, что деформационное упрочнение происходит в трех

зонах: в зоне основных сдвиговых деформаций в области режущей кромки, зоне изгибных деформаций в области деформирующей кромки и зоне изгибных деформаций подрезанного слоя в его основании. Установлено, что основным параметром, влияющим на твердость упрочненного слоя, является величина накопленной деформации.

Выявлены закономерности распределения микротвердости по толщине упрочненного макрорельефа на сталях феррито-перлитного и аустенитного классов.

Доказано, что упрочняющая обработка методом ДР позволяет достичь сопоставимое с алмазным выглаживанием повышение износостойкости при большей толщине упрочненного слоя и равномерном распределении твердости по его толщине.

Практическая значимость работы. Разработан способ поверхностного деформационного упрочнения на основе метода деформирующего резания, обеспечивающий равномерное распределение твердости при повышенной глубине упрочнения.

Разработана методика расчета, позволяющая прогнозировать параметры упрочненного слоя.

Определены геометрические параметры инструмента и режимы ДР для получения упрочненной поверхности с заданными параметрами глубины и твердости.

Положения, выносимые на защиту. Методика теоретического расчета твердости упрочненного слоя, получаемого методом ДР.

Результаты экспериментального исследования распределения микротвердости в материале упрочненного макрорельефа, формируемого методом ДР на сталях 30ХГСА, 38Х2МЮА, 12Х18Н10Т.

Результаты оценки износостойкости поверхностей трения, упрочненных методом ДР.

Практические рекомендации по поверхностному упрочнению деталей типа вал.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении НИР «Разработка принципов целенаправленного изменения эксплуатационных свойств поверхностей деталей методами глубинного механического воздействия», шифр темы 1.23.09 (ТП4), НИР «Разработка технологий и средств технологического оснащении для обеспечения производства судового оборудовании в Северо-Западном регионе России», шифр темы «Механизм» и в учебном процессе кафедры инструментальной техники и технологий при проведении занятий по дисциплине «Спецглавы механической и физико-технической обработки» для студентов специальности 15.05.01_02 «Проектирование технологических машин и комплексов - Проектирование механообрабатывающих и инструментальных комплексов в машиностроении»

Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались на следующих мероприятиях:

- 4-я Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2011 г.).

- 19-я Научно-Техническая Конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, ОАО РКК «Энергия», (г. Королев, 2011 г.).

- Международная молодежная конференция «Инновации в машиностроении», Юргинский технологический институт (г. Томск, 2012 г.)

- Молодежная научно-инженерная выставка «Политехника», МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2012 г.).

- 9-я Всероссийская молодежная научно-инженерная выставка «Политехника», МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2014 г.). Получен диплом первой степени в номинации «Технология обработки материалов».

- Семинар «Прогрессивные технологии термообработки и обработки металлов давлением», МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2012г.).

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕННОГО МАКРОРЕЛЬЕФА МЕТОДОМ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО РЕЗАНИЯ

Существует множество способов поверхностного упрочнения, направленных на улучшение механических и эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей машин и механизмов [1-3]. К данным способам относятся методы ППД, используемые для повышения прочности, твердости и износостойкости поверхностного слоя. Упрочнение методами ППД достигается за счет изменения дислокационной структуры материала при его пластическом деформировании. Аналогичный механизм упрочнения материала наблюдается при использовании метода ДР. В данной работе исследуется возможность применения метода ДР как способа обработки альтернативного методам ППД.

1.1. Механизм упрочнения металлов при пластическом деформировании

Эффект упрочнения при пластическом деформировании объясняет дислокационная теория упрочнения [4, 5]. Согласно данной теории при пластической деформации металлов и сплавов в их структуре возникают различные дефекты кристаллической решетки. Известные механизмы упрочнения такие, как увеличение плотности дислокаций, возникновение границ блоков и двойников, формирование мелкозернистой структуры, являются основными при пластической деформации металлов [5-7]. В свою очередь эффект от упрочнения при пластическом деформировании зависит от кристаллической решетки материала.

На результирующие механические свойства деформируемого материала влияют величина деформации материала, температура деформирования и скорость деформации. С ростом деформации возрастает плотность дислокаций в материале, что приводит к его упрочнению. Существуют разные меры деформации такие, как относительное удлинение,

относительное сужение, истинная или накопленная деформация и другие [8]. Температура деформирования является разупрочняющим фактором. Влияние скорости деформации имеет сложный характер [9]. В большинстве случаев увеличение скорости деформации способствует упрочнению металлов [10], но с ростом скорости деформации возникает явление саморазогрева материала, которое снижает эффект скоростного упрочнения [11].

Необходимость учета влияния перечисленных факторов определяется физико-механическими свойствами конкретного деформируемого материала [12-15]. Так в ряде случаев при обработке металлов давлением при холодной пластической деформации с малыми скоростями деформации можно пренебречь влиянием скорости деформации и температуры [12-15]. При обработке металлов резанием для определения сил резания, в большинстве случаев, требуется определять механические свойства материала с учетом величины деформации, температуры и скорости деформации.

Эффект упрочнения при пластической деформации используется для повышения таких свойств деталей, как предел прочности, предел выносливости и увеличения износостойкости поверхностей трения [16, 17]. Увеличение износостойкости является деталей является важной задачей, так как основной причиной выхода из строя машин и агрегатов является износ их деталей [18]. Среди методов упрочнения пластическим деформированием на практике широко применяются методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Данные методы основаны на принципе локального силового воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки или детали в результате которого формируется локальный очаг пластической деформации, приводящей к упрочнению материала. В результате обработки методами ППД на заготовке формируется поверхностный слой с повышенной твердостью и прочностью.

В инженерной практике для расчета механических свойств материала чаще применяются математические модели, использующие меры деформации, а не плотности дислокаций. В частности, мерой

деформационного упрочнения материала при ППД является степень деформационного упрочнения дН [19], которую определяют расчетным путем по результатам измерения микротвердости материала поверхностного слоя до и после обработки. Расчет степени упрочнения в процентах производится по следующей формуле [19]:

Н - Н

5Я= -— • 100% (1.1)

Н обр

где Нисх и Нобр - соответственно микротвердость материала до и после его обработки.

Степень упрочнения материала в результате пластической деформации главным образом зависит от свойств материала: химического состава, фазовой структуры, строения кристаллической решеткой и других. Ряд исследователей изучали влияние фазовой структуры на степень деформационного упрочнения, например, И.В. Кудрявцевым и Е.В. Рымыновой были получены значения степени упрочнения ряда марок сталей при одной и той же величине деформации [16] (Таблица 1). Наибольшую склонность к деформационному упрочнению имеют стали с ферритной и аустенитной структурой. Аустенитные стали способны повышать свою твердость до двух раз. У феррито-перлитных сталей степень упрочнения снижается с увеличением содержания перлитной фазы, содержание которой растет с увеличением содержания углерода. У мартенситных сталей в отличие от феррито-перлитных с ростом содержания углерода склонность к деформационному упрочнению увеличивается. Стали с сорбитной структурой имеют низкие значения степени упрочнения, но, несмотря на это, также обрабатываются методами ППД для повышения усталостной прочности [16]. Из приведенных данных (Таблица 1) следует, что наиболее целесообразно проводить деформационное упрочнение на сталях с ферритной, феррито-перлитной и аустенитной структур.

Доказано, что обработка ППД способствует повышению износостойкости обработанных поверхностей [20-22], а в работе [23]

доказано, что кроме износостойкости обработка алмазным выглаживанием повышает коррозионную стойкость аустенитной стали 12Х18Н10Т. Для повышения износостойкости поверхностей трения и лучшего удержания смазки используются вибрационные методы ППД [24], позволяющие кроме поверхностного упрочнения получить регулярный макрорельеф на обработанной поверхности. В Таблице 2 [25] приведены результаты сравнительных испытаний образцов из стали 45 с разной окончательной механической обработкой. Как видно из полученных результатов алмазное выглаживание, так же относящееся к методам ППД, позволяет уменьшить интенсивность изнашивания образцов по сравнению с шлифованием и полированием.

Таблица 1.

Степень упрочнения сталей с разной фазовой структурой при ППД

Марка стали Повышение поверхностной твердости в % (числитель) к исходной твердости НУ (знаменатель) стали в структурном состоянии

феррита перлита высокодисперсного сорбита мартенсита закалки аустенита

Армко-железо 90/105 - - - -

25 75/123 9/351 - -

35 60/151 13/293 35/540 -

45 60/156 20/306 40/600 -

50 45/169 11/285 43/640 -

У8 - 33/202 12/321 52/720 -

40Х 23/187 13/375 22/640 -

40ХН - 13/360 17/670 -

18ХНВА - 15/341 22/403 -

34ХМ (ТУ МТМ 20-5-54) - 25/293 37/595 -

9Х - 37/200 8/347 40/730

ЭИ 123 - - - 100/165

ЭИ 257 - - - 80/145

Таблица 2.

Результаты испытаний на износ полученные Торбило В.М.

Марка стали Метод окончательной обработки Износ приработки, мкм Длительность приработки, мин Интенсивность установив шегося износа, х106 мкм/м

Сталь 45 нормализованная, 180 НВ Тонкое шлифование 10 100 36

Полирование 3 70 34

Алмазное выглаживание 2,5 60 24

Сталь 45 закаленная, НЯС 56 Тонкое шлифование 7 130 80

Полирование 3 80 70

Алмазное выглаживание 2,5 70 24

Сталь 40Х закаленная, НЯС 58 Тонкое шлифование 3 130 45

Алмазное выглаживание 2 120 19

Сталь 18ХГТ цементованная, НЯС 61 Тонкое шлифование 3 120 40

Алмазное выглаживание 2 80 25

Сталь 12Х2Н4А цементованная, НЯС 61 Тонкое шлифование 3,5 110 70

Алмазное выглаживание 2,5 70 25

1.2. Методы поверхностного пластического деформирования

Обработка методом ППД является способом обработки давлением, при котором пластической деформации подвергается только поверхностный слой детали [26]. При обработке ППД происходит силовое взаимодействие между поверхностью обрабатываемой заготовки и твердотельным

деформирующим элементом (ДЭ) инструмента или рабочей средой, сопровождающееся формированием локального очага деформации в зоне контакта. Характеристики очага деформации зависят от конкретного применяемого метода обработки, вида, применяемого инструмента или рабочей среды, характера взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью, прикладываемой нагрузки и многих других факторов. Силовое воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки может осуществляться не только со стороны твердотельных ДЭ, жидкостей или газов [17], но и со стороны магнитного поля как при магнитно-импульсной упрочняющей обработке [27]. Классификацию применяемых при ППД инструментов можно представить в виде схемы (Рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация инструментов для ППД по типу используемого ДЭ

Классификация методов ППД по видам силового воздействия приведена в работе [28]. В зависимости от прикладываемой силы методы ППД можно разделить на статические, при которых сила, действующая со стороны инструмента, не изменяется во времени, и динамические, при которых прилагаемая нагрузка является величиной переменной. К статическим методам обработки ППД относятся накатывание за исключение вибрационного и ударного накатывания, выглаживание, поверхностное

дорнование, поверхностное редуцирование и метод однократного обжатия деформируемой заготовки без перемещения очага деформации. Динамические методы обработки разделяются на ударные, вибрационные и ультразвуковые. При ударных методах обработки инструмент совершает удар о поверхность детали, причем сила, действующая со стороны ДЭ на поверхность, изменяется от нулевого значения до некоторой величины. При вибрационных методах обработки на обрабатываемый материал и инструмент накладывается относительная вибрация.

В некоторых случая проводят совмещенное ППД, когда разные способы обработки применяются одновременно, и комбинированное ППД, когда обработка ведется последовательно.

Дополненная классификация методов ППД представлена на Рис. 1.2.

Одним из самых распространенных в серийном и массовом производстве методов обработки ППД, применяемым для производительной обработки тел вращения, является накатывание [17, 29]. При накатывании инструмент в форме шара или ролика совершает пластическое деформирование обрабатываемого материала при качении по его поверхности под действием статической нагрузки. По типу обрабатываемых поверхностей накатывание подразделяется на обкатывание и раскатывание (Рис. 1.3). По цели выполняемой операции накатывание разделяется на упрочняющее, сглаживающее, формообразующее и калибрующее (Рис. 1.4).

Форма обрабатываемой поверхности и цель обработки определяют тип применяемого инструмента и используемое оборудование. Упрочняющее накатывание проводится шаровым и роликовым инструментом для поверхностей вращения деталей типа вал, втулка и реже плоскостей. Накатывание реализуется в рамках единичного, серийного и массового производств.

Упрочняющее накатывание создает остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое и снижает шероховатость обработанной поверхности [17, 30], что приводит к повышению усталостной прочности [31, 32].

Методы ППД

Статическое воздействие

>> Накатывание

В ыглаживание

Поверхностное дорнование

Поверхностное редуцирование

Обжим

1.

Динамичекое воздействие

Ударное

Ударное накатывание

Центробежная обработка

Вибрационное

Галтовка

Чеканка

Ударно-барабанная обработка

Обработка механической щеткой

Комбинированное ППД

Ультразвуковое ППД

Вибрационное выглаживание

Вибрационное накатывание

Гидравлическая виброударная обработка

Обработка дробью Дробеабразивная обработка

Гидравлическая галтовка

Вибрационная галтовка

Совмещенное ППД

Рис. 1.2. Классификация методов поверхностного пластического деформирования по способу силового воздействия на обрабатываемую заготовку

Съ

Заготовка

п

>////////.

р

- Б

Инструмент а) Раскатывание

п

Ск

Заготовка

7Гч

Р

Б

Инструмент

б) Обкатывание

е-

Рис. 1.3. Схема накатывания

Накатывание

Упрочняющее накатывание

Рис. 1.4. Классификация накатывания по назначению операции

При обкатывании и раскатывании роликами применяется сложный по конструкции инструмент (Рис. 1.5). Его конструкция определяется действующими в процессе обработки нагрузками, типом механизма нагружения и используемым оборудованием. Типичная конструкция однороликовой суппортной державки для обкатывания наружных поверхностей с силой 2500.. .5000 Н и роликовая головка для нее показана на Рис. 1.5, а [17].

Существует аналогичный инструмент для обкатывания с силой до 40 000 Н (Рис. 1.5, б) [17]. На практике применяются приспособления для больших усилий обкатывания, до 60 кН (Рис. 1.6) [17]. Данное приспособление имеет крупногабаритную конструкцию с максимальным габаритным размером до 800 мм. Установка приспособления на токарный

)

ГГ"1! 1.

5** Шшякшж

. ^—1-г

Суппортная державка

Суппортная державка

а)

б)

Роликовая головка

Роликовая головка

Рис. 1.5. Однороликовые суппортные державки и роликовые головки для наружного обкатывания: а) для обкатывания при нагрузке от 2500 до 5000 Н; б) для обкатывания при нагрузке 40 000 Н

Рис. 1.6. Рычажное однороликовое приспособление с двумя пружинами

станок требует применения подъемно-транспортных устройств. Эти недостатки свойственны многим приспособлениям для ППД.

Другие недостатки накатывания связанны со структурой и свойствами получаемого поверхностного слоя. В упрочненном накатыванием и другими методами ППД поверхностном слое наблюдает снижение твердости по его глубине от максимального значения до значения твердости исходного материала. Это приводит к тому, что высокие степени упрочнения 40-70 % [17] наблюдаются лишь у самой поверхности упрочненного слоя и экспоненциально снижаются по глубине. Так по мере износа более твердых слоев на поверхность трения выходят более мягкие слои, что приводит к возрастанию интенсивности изнашивания. На Рис. 1.7, а [16] приведено распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя х, полученного после обкатывания крупногабаритного вала диаметром 235 мм из стали 50 роликовым инструментом с радиусом ролика г = 12 мм и усилием обкалывания Робк = 58860 Н. Глубина упрочнения достигает 10 мм, но максимальная степень упрочнения 5# равная 45 % наблюдается только на обработанной поверхности, после чего её значение снижается до 30 % на глубине 1 мм и до 20 % на глубине 2 мм. На расстоянии более 6 мм от обработанной поверхности степень упрочнения 5Н ниже 5 %. Уменьшение силы обкатывания приводит к снижению степени упрочнения материала и толщины упрочненного слоя. Так при усилии обкатывания Робк = 33354 Н и прочих равных условиях максимальная степень упрочнения снижается до 38 %, а толщина упрочненного слоя - до 8 мм (Рис. 1.7, б) [16]. При усилии обкатывания Робк = 14715 Н максимальная степень упрочнения снижается до 26 %, а толщина упрочненного слоя - до 6 мм (Рис. 1.7, в) [16]. Так как степень упрочнения зависит от свойств упрочняемого материала, то при высоких нагрузках могут быть получены относительно невысокие показатели упрочнения. При обкатывании стали 34ХН1М при усилии обкатывания Робк = 58860 Н максимальная степень упрочнения составила 24 % (Рис. 1.7, г) [16], а глубина - менее 6 мм.

Похожие диссертационные работы по специальности «Автоматизация в машиностроении», 05.02.07 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шуляк, Ян Игоревич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. М.: Логос, 2009. 488 с.

2. Коростелев В.Ф. Поверхностное и объемное упрочнение сплавов. Москва: Новые технологии, 2013. 203 с.

3. Тимохова О.М. Повышение долговечности и работоспособности деталей лесных машин методом поверхностного упрочнения. Ухта: Изд-во УГТУ, 2015. 124 с.

4. Messerschmidt U. Dislocation dynamics during plastic deformation. Berlin: Springer-Verlag, 2010. 502 p.

5. Shetty M.N. Dislocation and mechanical behaviour of materials. Delhi: PHI Learning Private Limited, 2013. 975 p.

6. Пашинская Е.Г. Физико-механические основы измельчения структуры при комбинированной пластической деформации. Донецк: Вебер, 2009. 352 с.

7. Жилкашинова А.М., Скаков М.К., Попова Н.А. Связь коэффициента упрочнения и пластической деформации аустенитной стали Гадфильда // Вестник науки Сибири. 2011. № 1 (1). C. 686-690.

8. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

9. Ушаков М.В., Илюхин С.Ю., Воробьев И.А. Учет влияния скорости деформации и температуры на процессы, происходящие в зоне первичной деформации при резании металлов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. №4-2. C. 89-93.

10. Третьяков А.В., Трофимов Г.К., Гурьянова М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Карманный справочник. М.: Машиностроение, 1971. 63 с.

11. Klocke F. Manufacturing Processes 1. Cutting. Berlin: Springer-Verlag, 2011. 504 p.

12. Воронцов А.Л. Технологические задачи теории пластичности. М.: Машиностроение-1, 2006. Том 1. 474 с.

13. Воронцов А.Л. Технологические задачи теории пластичности. М.: Машиностроение-1, 2006. Том 2. 397 с.

14. Воронцов А.Л. Технологические задачи теории пластичности. М.: Машиностроение-1, 2006. Том 3. 475 с.

15. Воронцов А.Л., Албагачиев А.Ю., Султан-заде Н.М. Теоретические основы обработки металлов в машиностроении: монография. Старый Оскол: ТНТ. 2014. 552 с.

16. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М.: Машиностроение, 1975. 160 с.

17. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987, 328 с.

18. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений. М.: Физматлит, 2013. 352 с.

19. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.

20. Бутаков Б.И., Артюх В.А. Современное состояние проблемы повышения износостойкости деталей поверхностным пластическим деформированием // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2009. № 46. С. 10-13.

21. Improvement of wear resistance of some cold working tool steels / Tobola D. [et al.] // Wear. 2017.Vol. 382-383. P. 29-39.

22. Полетаев В.А., Самок Г.С., Королькова Г.С. Исследование деталей электронасосов, упрочненных комбинированным способом, на износостойкость // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2009. №3. С. 14-17.

23. Королькова Г.С. Повышение долговечности поверхностей трения упрочняющей обработкой на примере узлов электронасосных агрегатов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Иваново. 2012. 19 с.

24. Куксенова Л.И., Герасимов С.А., Лаптева В.Г. Износостойкость конструкционных материалов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 237 с.

25. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972. 105 с.

26. ГОСТ 18296-72. Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения. М. 1973. 10 с.

27. Магнитно-импульсная упрочняющая обработка изделий из конструкционных и инструментальных сталей / А.В. Алифанов [и др.] // Литье и металлургия. 2012. № 3 (66). С. 77-82.

28. Ежелев А.В., Бобровский И.Н., Лукьянов А.А. Анализ способов обработки поверхностно-пластическим деформированием // Фундаментальные исследования. 2012. № 6-3. С. 642-646.

29. Altenberger I. Deep rolling - the past, the present and the future // Conference Proceedings ICSP. 2005. P. 144-155.

30. Meyer D., Kammler J. Surface integrity of AISI 4140 after deep rolling with varied external and internal loads // Procedia 3rd CIRP Conference on Surface Integrity. Vol. 45. 2016. P. 363-366.

31. Effect of casting defects and roller burnishing on fatigue properties of a cast aluminum alloy AC4CH / Nakamura Y. [et al.] // WIT Transactions on Engineering Sciences: Surface effects and contact mechanics 11. 2013. Vol. 78. P. 251-259. URL: https://www.witpress.com/elibrary/wit-transactions-on-engineering-sciences/78/24740 (дата обращения 25.06.2017).

32. Deep surface rolling for fatigue life enhancement of laser clad aircraft aluminium alloy / W. Zhuang [et al.] // Applied surface science. 2014. Vol. 320. P. 559-562.

33. Анализ связи параметров ультразвукового выглаживания с физическими показателями поверхностного слоя и износостойкостью обработанных поверхностей / М.М. Криштал [и др.] // Вектор науки ТГУ. 2012. №4. С. 173-177.

34. Huuki J., Laakso S.V.A. Surface improvement of shafts by the diamond burnishing and ultrasonic burnishing techniques // Int. J. Machining and Machinability of Materials. 2017. Vol. 19. No. 3. P. 246-259.

35. Богатов А.А., Мижрицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давление. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

36. Способ получения поверхностей с чередующимися выступами и впадинами (варианты) и инструмент для его осуществления: пат. 2044606 РФ / Н.Н. Зубков, А.И. Овчинников заявл. 30.04.1993; опубл. 27.09.1995, Бюлл. № 27.

37. Зубков Н.Н. Разработка и исследование метода деформирующего резания как способа формообразования развитых макрорельефов: дисс. ... д-ра техн. наук. М. 2001. 478 с.

38. Зубков Н.Н. Оребрение Труб теплообменных аппаратов подрезанием и отгибкой поверхностных слоев // Новости теплоснабжения. 2005. № 4. С. 51-53.

39. Pat.7637012 USA, Int. C1.B21D51/06; Method of forming protrusions on the inner surface of a tube / P. Thors, N. Zoubkov. 2009.

40. Использование штырьковых структур нового типа для охлаждения электронной аппаратуры / Зубков Н.Н. [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2014. №2. С. 70-79.

41. Novel Electrical Joints Using Deformation Machining Technology. Part I. Computing Modeling. / L. Solovyeva [et al.] // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. 2012. Vol. 2. № 10. P. 1711-1717.

42. Novel Electrical Joints Using Deformation Machining Technology. Part II. Experimental Verification. / L. Solovyeva [et al.] // IEEE Transactions on

Components, Packaging, and Manufacturing Technology. 2012. Vol. 2. № 10. P. 1718-1722.

43. Зубков Н.Н., Слепцов А.Д. Получение полимерных щелевых фильтрующих труб методом деформирующего резания // Вестник машиностроения. 2010. № 12. С. 51-53.

44. Зубков Н.Н., Васильев В.А. Фильтрующие элементы новой конструкции и оборудование для их производства // Металлург. 2016. №5. С. 77-82.

45. Зубков Н.Н., Слепцов А.Д. Получение микросеток и проницаемых щелевых труб механической обработкой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2007. № 3. С.56-60.

46. Продольные капиллярные каналы для тепловых труб / Абросимов А.И. [и др.] // Прикладная физика. 2010. № 1. С. 123-125.

47. Зубков Н.Н. Использование развитых микрорельефов для качественного повышения прочности клеевых соединений низкоадгезионных материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. С. 17-23.

48. Подготовка поверхностей под нанесение покрытий и другие технологические операции // Технология деформирующего резания. URL. http://defrez.ru/podgot.htm (дата обращения 11.05.2017).

49. Кременский И.Г., Зубков Н.Н., Васильев С.Г. Восстановление посадочных мест валов на металлорежущем оборудовании // Технология металлов. 2001. № 4. С. 22-24.

50. Зубков Н.Н., Богомолов А.М., Васильев С.Г. Восстановление размеров и свойств поверхности изношенных деталей // Практика противокоррозионной защиты. 2001. № 4. С. 17- 22.

51. Зубков Н.Н., Кременский И.Г., Васильев С.Г. Восстановление изношенных поверхностей с использованием металлорежущего оборудования // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2002. № 12. С. 13-17.

52. Зубков Н.Н., Овчинников А.И., Васильев С.Г. Методы восстановления размеров и свойств поверхности изношенных деталей // Оборудование и инструмент для профессионалов. 2004. № 6 (52). С. 4-8.

53. Зубков Н.Н., Васильев С.Г. Повышение износостойкости деталей пар трения скольжения на основе метода деформирующего резания. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 8. С. 3-9.

54. Васильев С.Г. Разработка метода деформирующего резания для создания упрочняющих композиционных покрытий: дис. ... канд. техн. наук. М. 1996. 223 с.

55. Зубков Н.Н., Овчинников А.И., Васильев С.Г. Особенности силового взаимодействия заготовки и инструмента для деформирующего резания // Вестник машиностроения. 2015. № 12. С. 68-71.

56. Шуляк Я.И., Васильев С.Г. Модернизация установки измерения сил резания на базе динамометра УДМ-600 // Машины и Установки: проектирование, разработка и эксплуатация. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 01. С. 1-12.

57. Полетика, М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. 148 с.

58. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009. 640 с.

59. Surface Integrity in Machining / J.P. Davim (ed.) et al. London: SpringerVerlag, 2010. 222 p.

60. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

61. Филиппов А.В., Проскоков А.В. Исследование процесса стружкообразования при резании металлов методом цифровой корреляционной спектр-интерферометрии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. № 2 (95). 2014. С. 100-113

62. Effect of microstructure on chip formation during machining of super austenitic stainless steel / M. Alabdullah [et al] // International Journal of Materials Forming and Machining Processes. 2017. Vol. 4. № 1. P. 1-18.

63. Zhu L., Jin X., Liu C. Experimental investigation on 3D chip morphology properties of rotary surface during orthogonal turn-milling of aluminum alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 84 № 5-8. P. 1253-1268.

64. Кельциева И.А., Васильев С.Г. Химико-термическая обработка модифицированных поверхностных структур на титановых сплавах // Машины и Установки: проектирование, разработка и эксплуатация. 2016. № 4. С. 14-24.

URL: http://maplants.elpub.ru/jour/article/view/45/39 (дата обращения 11.05.2017).

65. Васильев С.Г., Попцов В.В. Повышение твердости поверхности детали термическим воздействием с использованием деформирующего резания. // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2011. № 12. С.37-43.

66. Формирование закаленных структур в стали 35 методом деформирующего резания. / Дегтярева А.Г. [и др.] // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 9. С. 30-34.

URL: http://technomag.bmstu.ru/file/732549.html?_s=1 (дата обращения

11.05.2017).

67. Другие области использования деформирующего резания // Технология деформирующего резания. URL. http://defrez.ru/dr_obl.htm (дата обращения 11.05.2017).

68. Соединение полимеров и композитов с металлами и друг с другом// Технология деформирующего резания. URL. http://defrez.ru/bonding.htm (дата обращения 11.05.2017).

69. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: справочник / В.С. Самойлов [и др.] // Под. ред. И.А. Ординарцева [и др.] М.: Машиностроение, 1988. 368 с.

70. Марочник сталей и сплавов. / А.С. Зубченко [и др.] // Под общ. ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2011. 784 с.

71. Беккер М., Клемм X. Способы металлографического травления. Справочник. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1988. 400с.

72. Харитонов Л.Г. Определение микротвердости. М.: Металлургия, 1967. 46 с.

73. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Раздел 3. Технология производства машин. В 15-ти т. Т.3. / Под ред. Е.А. Чудакова [и др.] М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроит. лит., 1947. 712 с.

74. Авдеев Б.А. Испытательные машины и приборы. М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроит. лит., 1957. 350 с.

75. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира / Под. ред. В. Кершенбаума. М.: Центр «Наука и техника», 1993. 321 с.

76. Разработка технологий и средств технологического оснащения для обеспечения производства судового оборудовании в Северо-Западном регионе России: Заключительный отчет на ОКР / МГТУ им. Н.Э. Баумана. Руководитель темы Зимин В.Н., исполн. Зубков Н.Н., Васильев С.Г., Шуляк Я.И. [и др.] ГР № И 01201280535, Инв. № 2011232. М., 2013. 310 с.

77. Модернизация машины трения типа «Amsler» / Я.И. Шуляк [и др.] // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2014. № 9. С. 33-37.

78. Большаков А.Н. Повышение эффективности торцового фрезерования изменением условий резания при выходе зуба из зоны обработки: дис. ... канд. техн. наук. Орел. 2014. 152 с.

79. Бодарева А.В. Повышение эффективности изготовления высокопрочных прецизионных втулок методом совмещения редуцирования и дорнования: дис. ... канд. техн. наук. М. 2015. 191 с.

80. Воронцов А.Л., Султан-Заде Н.М., Албагачиев А.Ю. Разработка новой теории резания. 6. Определение основных параметров процесса резания. // Вестник машиностроения. 2008. № 6. С. 64-70.

81. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

82. Воронцов А.Л. Некоторые проблемы механики деформируемого твердого тела и ее технологических приложений. Сообщение 6. Особенности приложения теории пластичности к анализу операций обработки металлов давлением // Производство проката. 2010. № 8. С. 2-12.

83. Воронцов А.Л. Некоторые проблемы механики деформируемого твердого тела и ее технологических приложений. Сообщение 9. Степень деформации и накопленная деформация. Деформированное состояние заготовки и учет упрочнения при осадке и вдавливании в полупространство. Часть 1 // Производство проката. 2011. № 2. С. 41-48.

84. Воронцов А.Л., Султан-Заде Н.М., Албагачиев А.Ю. Разработка новой теории резания. 4. Обоснование и общие положения нового метода теоретического исследования процессов резания. // Вестник машиностроения. 2008. № 4. С. 69-74.

85. Воронцов А.Л., Султан-Заде Н.М., Албагачиев А.Ю. Разработка новой теории резания. 5. Определение кинематического, напряженного и деформированного состояний обрабатываемой заготовки. // Вестник машиностроения. 2008. № 5. С. 61-69.

86. Третьяков А.В., Зюзин В.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

87. Васильев С.Г., Шуляк Я.И. Изменение твердости поверхности детали методом механической обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. №11. С. 77-82.

88. Васильев С.Г., Шуляк Я.И. Создание поверхностных макроструктур с увеличенной твердостью методом деформирующего резания // Будущее машиностроения России: Сб. трудов 4-й Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. Москва. 2011. С. 13-14.

89. Васильев С.Г., Шуляк Я.И. Получение упрочненных макроструктур методом деформирующего резания // Инновации в машиностроении: Сб. трудов Международной молодежной конференции. Томск. 2012. С. 203-206.

90. Шуляк Я.И. Получение упрочненных макроструктур методом деформирующего резания на поверхностях деталей машин // Труды. РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Серия 12. Выпуск №1-2. Материалы 19-й научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Королев. 2013. С. 80-85.

91. Шуляк Я.И. Особенности деформационного упрочнения поверхностного слоя деталей методом деформирующего резания // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 3. C. 3-10.

92. Бубнов В.А., Марфицын С.В. Аустенитные стали и пластическая деформация // Вестник КГУ. Серия: технические науки. 2014. № 2 (33). С. 41-43.

93. Budinski K.G. Friction, wear, and erosion atlas. Boca Raton: CRC Press, 2014. 266 c.

94. Методы испытания на трение и износ: Справ. изд. / Л.И. Куксенова [и др.] М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 152 с.

95. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 518 с.

96. Жильников Е.П., Самсонов В.Н. Основы триботехники. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. 136 с.

97. Трибомеханика. Триботехника. Триботехнологии: В 3-х т. / М.В. Чернец [и др.] Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2006. Т. 1. 476 с.

98. Кац А.М. Теория упругости. СПб.: Издательство «Лань», 2002. 208 с.

99. Марочник сталей и сплавов. / Ю.Г. Драгунов [и др.] // Под ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2015. 1215 с.

100.Прудников М.И. Разработка нормализованного метода и автоматизированной системы испытаний на машинах трения. дис. ... канд. техн. наук. Брянск. 2009. 154 с.

101. Разработка принципов целенаправленного изменения эксплуатационных свойств поверхностей деталей методами глубинного механического воздействия : Заключительный отчет о НИР / МГТУ им. Н.Э. Баумана. Руководитель темы А.Е. Древаль. Исполнители Зубков Н.Н., Васильев С.Г., Шуляк Я.И. [и др.] ГР № 01201000112, Инв. № 02201151421. М., 2010. 108 с.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.