АВТОРЕФЕРАТ

Вобликов Сергей Александрович

Специальность: Технология машиностроения

Группа: ТМ-07м

Тема выпускной работы:

«Повышение износостойкости деталей машин методом поверхностной пластической деформацией с учетом функционального назначения поверхностей и участков поверхностей»

Руководитель: доцент, к.т.н. Польченко Виктор Васильевич.

Индивидуальное задание

Введение

Современные методы локального упрочнения поверхностей деталей

Основные параметры процесса ЛОУ-обработки

Силовые зависимости при ЛОУ-обработке поверхностей деталей

Механизм упрочнения материала при ЛОУ-обработке

Список использованой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Важнейшей проблемой современного машиностроительного производства является проблема управления качеством деталей машин [1]. Под качеством деталей понимают совокупность их свойств, обусловливающих пригодность деталей отвечать своему функциональному назначению в заданном диапазоне изменения условий эксплуатации. К числу таких свойств, называемых эксплуатационными, относят выносливость, износостойкость, коррозионную стойкость, жесткость и т.д. Эти свойства в соответствии с назначением деталей количественно оценивают с помощью соответствующих показателей: предела выносливости, интенсивности (или скорости) изнашивания, коррозионных потерь, податливости и др.

Во многом проблема управления качеством деталей машин может быть решена путем конструкторско-технологического обеспечения их эксплуатационных показателей через так называемые функциональные параметры качества поверхностных слоев [1-9]. Первой предпосылкой этого является наличие функциональной связи между эксплуатационными показателями и параметрами качества поверхностных слоев деталей, позволяющей не только обосновывать расчетным путем требования к параметрам качества, но и определять направления технологического воздействия НА поверхностные слои с целью обеспечения номинальных значений и допускаемых отклонений их физически обоснованных параметров [1, 3-5, 10-13]. Второй предпосылкой решения рассматриваемой проблемы является наличие функциональной связи между параметрами качества и технологическими факторами (метод обработки, жесткость оборудования, конструкция и параметры инструмента, режимы обработки и т.д.), позволяющей обоснованно подойти к выбору факторов, под влиянием которых формируются заданные уровни качества деталей [5, 8, 10, 13, 17].

В последние годы в технологии металлообработки широкое распространение получили динамические методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностей пластическим деформированием (ППД), среди которых важное место занимает отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом [14].

Различают статическое, ударное, вибрационное и ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (ППД). В качестве рабочей среды используют жидкость (гидравлическое ППД) или сжатый воздух (пневматическое ППД); в качестве рабочих тел - ролики, шарики, дробь и т. д. ППД может выполняться одновременно несколькими методами обработки (совмещенное ППД) или последовательно также несколькими методами (комбинированное ППД).

Обработка деталей машин поверхностным пластическим деформированием является одним из наиболее простых и эффективных методов упрочнения. Поверхностное пластическое деформирование повышает усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость деталей и тем самым увеличивает долговечность машин и оборудования. В результате поверхностного деформирования изменяются микроструктура и физико-механические свойства верхнего слоя металла: повышается его твердость и прочность, возникают благоприятные сжимающие остаточные напряжения. Шероховатость поверхности становится ниже.

Поскольку указанные требования предъявляются к большинству ответственных деталей машин, отделочно-упрочняющая обработка в настоящее время получает все более широкое распространение в машиностроительной промышленности [15].

Особенно эффективным, является локальное (местное) упрочнение ППД участков концентраторов напряжений, которое значительно производительней и дешевле, чем повсеместное [14].

Уникальность ЛОУ-обработки поверхностей деталей машин состоит в том, что создается реальная возможность получения поверхностного слоя с переменными показателями качества. В результате станет возможным реальное управление эксплуатационными показателями качества поверхностного слоя деталей в зависимости от преобладающего эксплуатационного фактора, а также внешних и внутренних воздействий, что, безусловно, приведет к повышению их работоспособности и надежности [16].

Активное развитие машиностроения свидетельствует об острой необходимости разработки в современном машиностроении принципов и путей осуществления различных видов локальной обработки поверхностей деталей машин и, прежде всего, ЛОУ-обработки.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - повысить износостойкость, производительность и снизить себестоимость изготовления деталей машин поверхностным пластическим деформированием.

Объектом исследования являются детали гидрораспределителя

Предметом исследования является состояние поверхностного слоя после ППД

Методы исследования: теоретические методы, базирующиеся на фундаментальных положениях теории пластического деформирования, экспериментальные методы.

Для достижения вышеуказанной цели необходимо решить следующие задачи:

- Обоснование причин появления необходимости в локальной отделочно-упрочняющей обработке поверхностей деталей машин;

- Изучение различных методик исследования поверхностного слоя;

- Разработка экспериментальной установки для проведения эксперимента по разработке технологии ППД деталей прецизионной пары;

- Планирование и проведение эксперимента;

- Исследование износостойкости поверхности, обработанной по различным технологиям;

- Разработка рекомендаций по применению ППД с целью повышения износостойкости деталей гидрораспределителя.

Оглавление

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЛОКАЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

В принципе любая механическая обработка детали носит локальный характер, так как обработке подвергают, как правило, не все поверхности, а только те, которые участвуют в выполнении функциональных задач, стоящих перед деталью. Поэтому в дальнейшем под локальной будет пониматься такая обработка, которая производится над какой-то отдельной частью (зоной) поверхности с целью обеспечения ее максимальной работоспособности (износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости и т.д.). При этом о локальной обработке материалов поверхностей деталей имеет смысл говорить при выполнении финишных и отделочных операций технологического процесса.

На рис. 1 приведена обобщенная схема видов локальной обработки материалов и показано место в них ЛОУ-обработки деталей, а также указаны основные направления ее осуществления [16].

Рисунок 1 - Обобщенная схема видов локальной обработки материалов поверхностей деталей

Следует отметить, что ЛОУ-обработка может различаться как по назначению (для обеспечения функциональных требований или для декоративного оформления изделия), так и по исполнению (после заготовительных операций, после черновой обработки поверхности детали, после чистовой обработки поверхности лезвийным инструментом или шлифования). В дальнейшем при рассмотрении ЛОУ-ооработки основное внимание будет уделено обеспечению функциональных требований поверхностного слоя деталей, зависящих от получаемых параметров шероховатости, твердости материала, величины, знака и характера распределения технологических остаточных напряжений, сформировавшейся электронно-дислокационной структуры и других показателей.

Оглавление

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ЛОУ-ОБРАБОТКИ

При ЛОУ-обработке шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. При правильно заданных параметрах обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства. И, наоборот, неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение поверхности (отслаивания) и понизить долговечность детали. Глубина упрочненного слоя определяется удельным давлением на контактной площади и ее размерами. Степень же упрочнения зависит только от давления. Это подтверждается малой глубиной наклепа и повышением поверхностной твердости, получаемыми в результате дробеструйной обработки. При ударе дробинок, несмотря на высокие давления, незначительность размеров контактных площадок приводит к распространению пластической деформации на небольшую глубину [18].

Глубина наклепа связана с диаметром отпечатка при вдавливании сферического пуансона, с размерами эллипса касания при упругом контакте двух тел, с величиной сближения инструмента и детали или с удельным давлением и диаметром шара. Во всех случаях прямо или косвенно имеет значение размер контактной площади.

Специальными экспериментами установлена зависимость глубины наклепа ? от размеров контактной площади Fк. Эта зависимость, полученная при обкатывании шаром (рис. 2), выражается формулой

где k и n — коэффициенты, зависящие от размеров инструмента а также от размеров и материала детали.

На (рис. 2) приведена зависимость глубины наклепа от площадки контакта при обкатывании шаров.

Рисунок 2 -Зависимость глубины наклепа от площадки контакта при обкатывании валиков с давлением: 1 — 23Д кгс/мм²; 2 — 11Д кгс/мм²

Для деталей средних размеров из стали 45 при их обкатывании шаром диаметром 10 мм с давлениями в контакте 140-250 кгс/мм² коэффициент k=1,48-2,0, а n=2. Коэффициент k возрастает с повышением давления.

Основными параметрами процесса обработки являются следущие:

среднее давление в контакте р;
контактная площадь Рк;
величина нормальной силы, передаваемой со стороны инструмента на обрабатываемую поверхность;
размеры деформирующего инструмента R;
продольная подача S;
скорость обработки V.

Первые два параметра, определяющие эффективность упрочнения, зависят от силы, размеров инструмента, свойств материала и размеров обрабатываемой детали. Продольная подача влияет на шероховатость обрабатываемой поверхности и на равномерность деформации в осевом направлении. Кроме того, подача определяет количество повторных деформаций каждого участка поверхности, что оказывает влияние на упрочнение и остаточные напряжения. От скорости обработки зависят протекание процесса деформации в очаге и градиент наклепа, а также количество образующейся теплоты. К остальным параметрам обработки относятся число рабочих ходов и род смазки.

В технологических картах должны быть указаны такие параметры, которые контролируются в процессе обработки. К ним прежде всего относится нормальная сила Рн(Рв), подача, число проходов и размеры деформирующего инструмента.

Оглавление

СИЛОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРИ ЛОУ-ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Действующие при деформации внешние силы разделяются на активные и реактивные [18, 19]. Силы трения в одних случаях могут быть активными (например, при прокатке), а в других реактивными (например, при осаживании). При обкатывании и выглаживании активные силы создаются вращением детали (обработка на токарном станке), движением стола с деталью (например на строгальном станке) или вращением инструментальной головки. Следовательно, активные силы являются касательными. При действии этих сил площадь давления в процессе деформации остается неизменной. Реактивные силы направлены перпендикулярно к рабочей поверхности инструмента.

Рисунок 3 – Анимированный рисунок схемы обрабротки ППД (20 кадров, 10 циклов повторения, время одного цикла - 4с.): 1 - обрабатываемая деталь; 2 - рабочая головка шарикового обкатника. Анимация возобновляется обновлением страницы

Процессы, происходящие при обкатывании и выглаживании в очаге деформации, определяются характером распределения и величиной нормальных и касательных напряжений. Однако ввиду незначительности коэффициентов трения в обоих процессах основное значение имеют нормальные напряжения. Величина силы, обеспечивающей получение требуемых напряжений в очаге деформации, зависит от их значений и размеров контактной площади. При обработке с продольной подачей равнодействующая всех сил раскладывается на три составляющих силы (по трем координатным осям). В соответствии с этим различают силы — нормальную, касательную и силу подачи (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема сил, действующих при обкатке поверхностей детали

Основной силой, создающей необходимое давление в контакте деформирующего инструмента и детали, является нормальная составляющая Рн. Определение касательной силы необходимо для расчета потребной мощности главного движения и расчета на прочность некоторых деталей станка. Определение осевой силы (силы подачи) необходимо для расчета мощности, требующейся на подачу и для расчета на прочность механизма подачи.

Равнодействующая сила:

Экспериментальное исследование силы при обкатывании шаром производилось На токарном станке при помощи специального трехкомпонентного динамометра. Результаты исследования (рис. 5) показывают, что касательная сила Р? в среднем в 10 раз меньше нормальной силы. Изменение подачи слабо сказывается на соотношении этих сил.

Рисунок 5 - Схема сил при обкатывании валиков из стали 45 с подачей 0,1 мм/об: 1 — осевая сила; 2 — касательная сила при нормальной шероховатости поверхности; 3 — касательная сила при грубой поверхности

При обкатывании грубой поверхности с большими неровностями касательная сила несколько возрастает. Величина осевой силы незначительно отличается (в сторону уменьшения) от касательной силы.

На основании экспериментальных данных при отделочно-упрочняющем обкатывании имеем:

Учитывая приведенное соотношение, величину равнодействующей силы выразим через силу Рн, т. е.

Равнодействующая сила R отличается от величины нормальной силы не более чем на 0,4—1,2%.

При алмазном выглаживании различных материалов:

т. е соотношение сил почти такое же, как и при обкатывании шаром.

Оглавление

МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ЛОУ-ОБРАБОТКЕ

Можно предположить, что в процессе ЛОУ-обработки пластическое деформирование материалов протекает с измельчением блоков мозаики и повышением плотности дислокаций. При этом скольжение осуществляется по кристаллографическим плоскостям не путем одновременного смещения отдельных атомных плоскостей, а в результате отдельных элементарных актов, которые заключаются в однотипных перемещениях группы атомов и распространяются в определенных направлениях кристаллографической решетки. Основой для этого механизма является то, что благодаря периодичности строения кристаллов смещение атомов вблизи одного из узлов решетки, полученное в результате действия внешних сил, вызывает облегчение таких же сдвигов (перемещений) атомов около соседних ее узлов.

Этот последовательный процесс перемещения атомов способен распространяться в определенных энергетически выгодных направлениях на значительные расстояния до тех пор, пока сохраняется на всем протяжении пути правильная периодичность в движении дислокаций. Движение дислокаций прекращается, если на пути их перемещения встречаются нарушения правильного кристаллического строения - границы зерен, блоки или потоки свободных электронов [12].

При таком механизме последовательного перемещения атомов в каждый данный момент времени в сопротивлении деформированию будут участвовать только связи тех атомов, которые являются соседями перемещающегося атома, т. е. при пластической деформации в сопротивлении этой деформации одновременно участвует лишь небольшая группа атомов. Места в которых нарушается правильная периодичность решетки, являются местами зарождения элементарных актов пластической деформации. Они также являются областями, в которых прекращается распространение отдельных актов пластической деформации. С уменьшением таких мест становится меньшим и число элементарных актов, возникающих в единицу времени, увеличиваются пути их легчайшего перемещения, что приводит к уменьшению доли атомов, участвующих в сопротивлении деформации, и к уменьшению степени одновременности работы всех атомов. С увеличением нарушений идеального строения кристаллов возникает большее число элементарных актов в единицу времени, уменьшаются пути их распространения, уменьшается количество атомов, участвующих в актах пластической деформации, изменяется подвижность свободных электронов, растет число атомов, одновременно участвующих в сопротивлении действию внешних сил [12, 20].

Изменения электронно-дислокационной структуры обрабатываемого материала приводит к изменению его термодинамического потенциала [21], благодаря которому возможно управление механизмом упрочнения материала поверхностного слоя при ЛОУ-обработке деталей. При этом необходимо учитывать тот факт, что в зоне пластических деформаций возникает электронно-диффузионный ток, приводящий к перестройке дислокационной структуры материала поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Такие представления о механизме пластической деформации позволяют понять, почему металлы и сплавы имеют малую прочность в отожженном состоянии по сравнению с теоретической прочностью, определенной по данным о прочности межатомной связи. Благодаря большой величине областей с правильным кристаллическим строением обрабатываемого материала степень одновременности участия атомов в сопротивлении деформированию мала, а следовательно и степень использования межатомной связи является малой.

Для всех упрочненных материалов характерна субмикроскопическая неоднородность кристаллического строения. Она и обусловливает степень одновременности работы атомов, а следовательно и степень использования межатомных связей и приближает практическую твердость к теоретической. Нарушение правильной периодичности кристаллического строения за счет измельчения блоков мозаики с описанной точки зрения должно приводить к повышению сопротивления деформированию. Поэтому границы блоков кристаллов могут рассматриваться как места, в которых зарождаются акты пластической деформации и где прекращается их распространение. Следовательно, раздробление блоков может рассматриваться как один из важных факторов упрочнения металлов, а также необходимым условием упрочнения обрабатываемого материала ППД.

Имеющиеся экспериментальные данные о связи упрочнения с тонкой кристаллической структурой металлов и сплавов [12, 14] дают возможность сделать вывод о том, что необходимым и наиболее важным кристалло-структурным фактором упрочнения металлов и сплавов является раздробление зерна на фрагменты и образование внутри фрагментов субмикроскопической блочной структуры. Неоднородная упругая деформация микрообластей отражает лишь свойства кристаллов данного материала. При этом она характеризует как бы «предел» упругой деформации микрообластей. На рис. 6 приведены фотографии микроструктуры армко-железа при различной степени деформации в процессе ЛОУ-обработки ШСУ.

Рисунок 6 - Изменения структуры армко-железа при различной степени деформации в процессе ЛОУ-обработки: а, в - внутреннее строение зерен отоженного армко-железа; б - при деформации 10%; г - при деформации 20%. Увеличение 150

Наличие раздробления блоков при малых напряжениях, приложенных во время деформации, свидетельствует о том, что дефекты кристаллической решетки обусловливают, по-видимому, увеличение вероятности появления актов пластической деформации, которые приводят к нарушению когерентности существовавшего первоначально крупного блока. Дробление блоков на большие участки при малых относительных деформациях (?=6-7%) обусловлено, вероятно, сравнительно длинными путями перемещения дислокаций до остановки каким-либо дефектом кристаллической решетки, количество которых в отожженном материале невелико [20], или же границами зерен [11].

Определенную роль в торможении дислокаций играют потоки свободно движущихся в кристаллах электронов. При этом упругие остаточные напряжения кристаллической решетки, хотя и возникают, остаются в целом незначительными, так как во время каждого элементарного акта пластической деформации может происходить частичная разрядка напряжений внутри металла, вызванная, например, движением свободных электронов. Однако в этом случае степень одновременного участия атомов в сопротивлении материала деформированию пока еще остается незначительной.

При увеличении пластической деформации (?=6-30%) происходит дальнейшее измельчение блоков мозаики и пути перемещения дислокаций уменьшаются за счет сокращения протяженности кристаллической решетки с идеальным (правильным) строением и увеличение ЭДС-напряжения [7, 11, 12]. Одновременно с увеличением количества дефектов в виде границ блоков и искажений кристаллической решетки растет также и число тех мест, в которых могут зарождаться акты элементарных пластических сдвигов. Поэтому количество атомов, участвующих одновременно в сопротивлении действию внешних сил, увеличивается. Это означает, что степень использования межатомной связи увеличивается.

На рис. 7 в полулогарифмических координатах приведены зависимости характеристик тонкой кристаллической структуры материала поверхностного слоя образца, подвергнутого обработке ШСУ (размеров блоков мозаики D, плотности дислокаций ?, внутренних напряжений 2-го рода (?а/а)), от времени обработки t. Исследование тонкой кристаллической структуры осуществлялось на рентгеновской установке «Дрон-1,5» в соответствии с методикой, изложенной в работе [22].

Рисунок 7 - Изменения плотности дислокаций ? (кривая 1), размеров блоков мозаики D (кривая 2) и внутренних напряжений 2-го рода ?а/а (кривая 3) при обработке ШСУ образцов из армко-железа

Анализ результатов выполненных исследований дает основание сделать вывод о том, что с увеличением продолжительности обработки размеры блоков D уменьшаются, а плотность дислокаций ? и величина внутренних напряжений (?а/а) увеличиваются. Однако при этом возрастает микротвердость материала поверхностного слоя и возникает опасность в его перенаклепе и отслаивании.

Оглавление

План выполнения работы на ближайшее время

В настоящее время закончен литературнй обзор, где было изучено современное состояние вопроса и поверхностное заглубление в него. Конкретные результаты будут получены позже. Работа находится на начальной стадии, сдача ее в конце декабря этого года. Предстоит сделать следующее:

- Разработка экспериментальной установки для проведения эксперимента по разработке технологии ППД деталей прецизионной пары .

- Планирование и проведение эксперимента.

- Исследование износостойкости поверхности, обработанной по различным технологиям.

- Разработка рекомендаций по применению ППД с целью повышения износостойкости деталей гидрораспределителя.-

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Суслов А. Г., Горленко О. А. Экспериментально-статистический метод обеспечения качества поверхностей деталей машин. - М.: Машиностроение-1 2003. - 303 с.

Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение. 1987. - 208 с.

Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.