С.М.Жасимова , канд.техн.наук, доцент
Центр техническиго развития Министерства науки-Академии наук Республики Казахстан

С повышением давлений, температур, скоростей перемещений рабочих органов машин и механизмов возрастают требования к качеству деталей их составляющих. В общей системе качества особое место занимает качество поверхностного слоя деталей, во многом определяющее эксплуатационные свойства, в том числе, увеличивается потребность в повышенной маслоемкости поверхности изделий, работающих в условиях трения-скольжения.

Под поверхностным слоем, верхней границей которого является поверхность, понимается толщина материала заготовки, в котором происходят изменения физико-механических свойств материала при поверхностном пластическом деформировании (ППД). Качество поверхности в наших исследованиях оценивалось по величине среднего арифметического отклонения профиля Ra (мкм), a поверхностного слоя по изменению микротвердости Нm (МПа) и глубине упрочнения h (мм).

Эффективным методом повышения качества поверхностного слоя путем создания оптимального микрорельефа поверхности, является ударно-силовое выглаживание. Предлагаемый метод объединяет в себе достоинства силового выглаживания (выглаживание с величиной продольной подачи более 0,1 мм/об ) по получению низкой высоты микронеровностей поверхности и чеканки – обеспечение значительной глубины упрочнения обрабатываемого материала.

Суть метода ударно-силового выглаживания заключается в том, что поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию статического усилия выглаживания и ударных импульсов. Обрабатываемая деталь зажимается в центрах. Внутри жесткого корпуса расположена оправка с закрепленной на конце профилированной пластиной. Оправка поджимается к заготовке с заданным усилием выглаживания, создаваемого пружиной. ОТ пневмомолотка через оправку передаются ударные импульсы на выглаживающую пластинку. В результате, на выглаженной поверхности остается определенный микрорельеф регулярного характера. Частота расположения лунок и энергия удара зависят от скорости выглаживания и типа источника удара. Инструмент закрепляется в резцедержателе токарного станка.

При экспериментальном исследовании технологических возможностей ударно-силового выглаживания в качестве образцов выбирались заготовки цилиндрической формы. Обработка осуществлялась на токарном станке типа 16К20. Материал заготовок – сталь 45,40Х с твердостью в пределах НВ 201-280. Исходная шероховатость образцов (после точения) Ra 3,32 – 2,5 мкм. Материал индентора – твердый сплав ВК 8.

Геометрия выглаживающей части деформирующего индентора, режимы обработки назначались по разработанной нами методике на основе найденных законов распределения контактных давлений и напряжений при статико-динамическом ППД. Усилие силового выглаживания и энергия удара рассчитывались в соответствии с необходимым эквивалентным напряжением и контактным давлением, определяемым в свою очередь по свойствам материала заготовки.

При ударно-силовом выглаживании величины продольных подач, скорости деформирования варьировались в широких пределах. В результате, на гладкой выглаженной поверхности обработки ( следствие воздействия статически приложенного усилия в пределах 200 –600 Н) образовались углубления (лунки) эллиптической формы, расположенных по траектории движения выглаживателя относительно заготовки. Качество поверхности в пространстве между лунками соответствует качеству после силового выглаживания: высота микронеровностей поверхности Ra 0,3 –0,15 мкм ( в зависимости от усилия выглаживания); относительная опорная длина профиля t₅₀ 93

В зависимости от соотношения скорости вращения заготовки, частоты наносимых ударов и величины продольной подачи были получены лунки соприкасающиеся и несоприкасающиеся, а также перекрывающие друг друга. Глубина перекрывающихся лунок составила 0,016 мм, ширина 1,5 мм, а у несоприкасающихся – соответственно 0,027 мм 1,75 мм (при энергии удара 5 Дж). Заметных наплывов по краям несоприкасающихся лунок в плоскости сечения YOZ не обнаружено. Очевидно, вытесненный при ударе по краям лунки материал сглаживается инструментом при выглаживании с заданным усилием. В этой особенности проявляется достоинство ударно-силового выглаживания по сравнению с чеканкой. Поверхность с несоприкасающимися лунками после ударно-силового выглаживания позволяет обеспечить необходимую плотность сопряжения в процессе эксплуатации благодаря большой опорной площади поверхности, а имеющиеся лунки, выполняя роль карманов для удержания смазки, уменьшают трение и износ сопрягающихся поверхностей.

Исследования изменения размера и формы заготовки в поперечном сечении после ударно-силового выглаживания позволили установить, что диаметральный размер увеличился в среднем на 0,02 мм из-за вытеснения материала заготовки при ударе. При определенном расчетном соотношении между усилием выглаживания и энергией ударных импульсов уменьшение диаметрального размера заготоки наблюдаемое при силовом выглаживании перекрывается вытесняемым из лунок материалом при ударе.

Круглость образцов после ударно-силового выглаживания не измерялась из-за низких технических возможностей кругломеров,поскольку глубина лунок - 0,01…0,03 мм, а ожидаемая неточность формы - 0,001…0,002 мм.

Исследования микротвердости поверхностного слоя заготовки обработанной ударно-силовым выглаживанием проводились по оригинальной методике. Это было вызвано тем, что после ударно-силового выглаживания, как указывалось выше, получается специфическая поверхность с сеткой лунок. По дну лунок располагается зона наибольшего упрочнения. Лунки,в зависимости от заданных режимов обработки, могут располагаться на некотором расстоянии друг от друга. Следовательно, зоны максимального упрочнения носят локальный характер. Поэтому использование общепринятой методики определения микротвердости поверхности с изготовлением “косых шлифов” представлялось невозможным.

Анализ результатов исследования микротвердости поверхности показал, что в пространстве между лунками (силовое выглаживание) поверхность по сравнению с исходной упрочнилась на 40% на глубину до 0,16 мм. Под пятнами упрочнения микротвердость поверхности повысилась на 73,3 % по сравнению с исходной и на глубину до 0,553 мм. Средняя относительная погрешность измерений при исследовании микротвердости поверхностного слоя после силового и ударно-силового выглаживания составила соответственно 4% и 10%.

Таким образом, метод ударно-силового выглаживания объединяет в себе достоинства силового выглаживания по получению низкой шероховатости и чеканки с возможностью упрочнить поверхность обработки на значительную глубину, создать регулярный микрорельеф и тем самым увеличить маслоемкость поверхности детали.