книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

форм и размеров, а также к получению необходимых микропрофиля поверхности и физико-механических свойств поверхностного слоя.

На заводах машиностроения и ремонтных предприя­ тиях все шире получают заготовки, а в ряде случаев и

процесса заложить высокие прочностные качества изде­ лия, что особенно важно для таких деталей, как зубча­ тые колеса и шлицевые валы, работающие в силовых передачах.

1.Исследование упрочнения материала зубчатых колес при накатке зубьев

Теоретические разработки и производственный опыт показывают, что зубчатые колеса мелких модулей целе­ сообразно накатывать в холодном состоянии, а зубча­ тые колеса крупных модулей — в горячем. Холодное накатывание обеспечивает получение зубьев 7—8-й сте­ пени точности, а горячее накатывание, выполняемое с

получение зубьев 9—10-й степени точности. Инструмен­ том для накатки конических кривозубых и гипоидных зубчатых колес является накатник-шестерня, а для на­ катки цилиндрических зубчатых колес обычно исполь­ зуются рейки.

Однако в настоящее время номенклатура зубчатых колес, получаемых накаткой, еще ограничена, а сущест­ вующие технологические процессы нуждаются в совер­ шенствовании. Например, при полугорячеп накатке вы­ сок процент брака, имеют место отклонения от техни­ ческих требований и несоблюдение технологической дисциплины. В связи с этим нами был проведен анализ технологических процессов изготовления ведомой ше­ стерни главной пары заднего моста автомобиля ГАЗ на Минском заводе запасных частей и автомобильном за­ воде им. Лихачева [151].

Исследования показали, что технологические процес­ сы на этих заводах в основном идентичны. Схема техно­ логического процесса: получение заготовки (штампов­ ка), термическая обработка, токарная обработка базо­

140

вых поверхностей, накатывание зубьев на зубонакатном полуавтомате, термическая обработка после накатыва­ ния, чистовая обработка зубьев и других поверхностей, термическая обработка и притирка сопряженных дета­ лей. На Минском заводе запасных частей ведомая ше­ стерня изготавливается из стали 55ПП.

С целью изучения микроструктуры, материала меха­ низма и характера упрочнения в различных зонах заго-

Рпс. 42. Элемент зубчатого колеса: / — сечение поперек зуба на рас­ стоянии 1/2 его длины; I I — сечение вдоль зуба; I I I — сечение под впадиной зуба на расстоянии 4 мм от поверхности

товки зубчатых колес, полученных методом накатки, проведены эксперименты на ведомой шестерне главной передачи автомобиля ГАЗ.

Эксперименты показали, что при накатке зубьев в заготовке возникают упругие и пластические деформа­ ции. Следствием первых является коробление детали до 2—3 мм в процессе старения, а о наличии пластиче­ ской деформации свидетельствуют изменения микро­ структуры и твердости. Возникающие при накатке нор­ мальные давления способствуют упрочнению деформи­ рованных объемов материала. Упрочнение зависит от степени деформации, температуры нагрева заготовки, характера теплообмена и режима накатки. В данном случае процессы, протекающие в материале при накат­ ке зубьев, идентичны поверхностному упрочнению дета­ лей, рассмотренных выше.

Если о степени деформации судить по изменению твердости материала, то анализ полученных данных по­ казывает, что твердость, а значит, и деформация в раз­ личных зонах детали неодинаковы (рис. 42, табл. 16).

141

Она достигает максимальных значении под впадиной зуба и в местах перехода от головки зуба к впадине, причем зона наибольших деформации лежит на глуби­ не 0,5—1,0 мм (точки А, В, С). В направлениях к по­ верхности зуба твердость несколько падает, а в глубь детали постепенно снижается до исходной (115 ед. HD). Процесс деформирования зуба сопровождается замет­ ным упрочнением его головки (сечение /). В точках D,

личия в местах контакта неодинаковых зон торможе­ ния, появляющихся вследствие трения в паре инстру­ мент — накатываемая деталь.

Максимальное упрочнение под впадиной зуба и го­ ловки зуба вызвано значительной степенью деформации и особенностями стали 55ПП — заторможенным процес­ сом рекристаллизации. Это в свою очередь способствует сохранению достаточно высокой плотности дислокаций в деформированных объемах материала. Снижение твердости в поверхностном слое зубьев и впадин шестер­ ни, вероятно, вызвано интенсивным выделением тепловой энергии на локальных контактных участках, приводящей

кразвитию в них процесса рекристаллизации.

Врезультате пластической деформации микрострук­ тура материала детали претерпела значительные изме­

142

нения (рис. 43). Исходная микроструктура характери­ зуется равномерным распределением составляющих фер­ рита и перлита. В объемах наибольшей деформации (головка зуба, впадины) произошло измельчение зерен.

Структура деформированного материала зависит от таких факторов, как схема и условия деформации, ее степень, температура и скорость, кристаллическая структура и химический состав стали. Кристаллическая

Рис. 43. Микроструктура .материала зубчатого колеса после горячем накатки: а — исходная; б — и зоне перехода от впадппы к зубу; в — головки зуба; г — в точке F

решетка материала детали представляет собой объемиоцентрированный куб. Вследствие одновременного дей­ ствия пластической деформации и температурного фак­ тора (нагрев заготовки до температуры 1150°С) проис­ ходит аллотропное изменение стали. Возможно, в начале процесса накатки зубчатого колеса при еще до­ статочно высоких температурах происходит диффузион­ ное перемещение отдельных кристаллитов относительно друг друга.

Однако в данном случае основным механизмом упрочнения материала является пластическая деформа­ ция, вызывающая внутризерновые сдвиговые смещения отдельных частей кристаллитов.

При горячей накатке зубьев, очевидно, как и при холодном деформировании, происходят явления, свя­ занные с изменением количества и плотности дислока­ ций. Этим можно объяснить значительное упрочнение отдельных объемов материала зубчатого колеса в про­ цессе накатки. Эксперименты показывают, что упрочпе-

143

ние возможно лишь при определенных условиях фор­ мообразования профиля колеса, при чрезмерных же уси­ лиях, недостаточном нагреве заготовки или недостаточ­

ной смазке наблюдаются явления «перенаклепа», воз­ никают закаты, шелушение поверхности.

Прочность деталей машин во многом зависит от ми­ кроструктуры материала и распределения остаточных напряжений в макро- и микрообъемах изделия. В связи

чение вдоль зуба; г — поперечное сечение зуба. Стрелкой показано направление рентгеновского луча, пунктирной линией—место съемки

с этим в различных зонах зуба были определены оста­ точные напряжения первого рода, изменение напряже­ ний второго рода и размеров блоков мозаики. В данном случае напряжения возникают под влиянием пластиче­ ской деформации при формировании зуба и впадины, фазовых и структурных превращений, а также вследст­ вие неоднородного охлаждения объемов металла заго­ товки. Для определения внутренних напряжений были подготовлены образцы из заготовок, накатанных при одном режиме работы и наладке оборудования в произ­ водственных условиях. В качестве эталона был принят образец из отожженной стали 55ПП.

Остаточные напряжения определялись по методике

144

Исследования показали, что внутренние напряжения первого рода в штампованной заготовке и в различных зонах зуба после его накатки качественно одинаковы, они растягивающие (табл. 17). Количественно же эти напряжения у заготовки и накатанного зуба различны. Обращает на себя внимание закономерность роста ве­ личины внутренних напряжении по мере удаления от центра детали (рис. 44, а, s). Наибольших значении они достигают у зуба (позиция 1) и равны 49,0 кГ/мм2. Этим объясняется скалывание кромок зуба при его чи­ стовой механической обработке, а также выкрошивание частиц металла у некоторых деталей при их эксплуа­ тации.

По высоте зуба внутренние напряжения также ко­ личественно различны. Наибольших значений они дости­ гают в головке зуба на глубине 2—3 мм от поверхности

ций, возникающих при формировании элементов зубча­ того колеса, а также результатом того, что эти зоны в сравнении с другими — значительные концентраторы на­ пряжений.

Сопоставление данных об изменении внутренних на­ пряжений второго рода по уширению интерференцион­ ных линий ßi и ß2 у штампованной заготовки и в раз­ личных зонах зуба позволяет установить, что они коли-

146

чественно и качественно практически одинаковы (табл. 18). Размер блоков несколько больше у заготовки, чем у накатанного зуба. Как правило, измельчение блоков наблюдается в объемах, подвергающихся непосредст­ венному воздействию инструмента при накатке.

Исследования показывают, что микротвердость, структура материала и внутренние напряжения в раз­ личных объемах зубчатого колеса, полученного спосо­ бом горячей накатки, неодинаковы. Это прежде всего свидетельствует о неоднородной пластической деформа­ ции и различных условиях кристаллизации.

В данном случае пластические деформации протека­ ют в узком диапазоне диаграммы деформирования, ко­ торый характеризуется развитием малых деформаций в значительных объемах изделия и незначительным упроч­ нением материала. Однако нагрев заготовки перед на­ каткой и повышение температуры материала вследст­ вие деформирования приводят к некоторому разупроч­ нению и снятию наклепа.

Кроме того, заметное влияние на развитие деформа­ ций оказывает также текстура материала, возникающая в результате получения сложной формы детали давле­ нием. Наличием текстуры обусловлена неоднородность пластических деформаций различных объемов материа­ ла шестерни, характеризующаяся наличием различных градиентов напряжений в отдельных направлениях, а это в свою очередь влияет на эксплуатационные харак­ теристики ведомой шестерни при ее работе.

2.Исследование микроструктуры, микротвердости

ишероховатости шлицевых валов, изготовленных накаткой

Шлицы на валах, как правило, изготавливаются на шлицефрезерных станках методом обкатывания. Более перспективным методом получения шлицев по произво­ дительности, универсальности, охвату выпускаемой но­ менклатуры валов является продольное накатывание. Однако ряд вопросов, связанных с этим методом, еще недостаточно изучен (механизм упрочнения материала, изменение микроструктуры, твердости и т. д .). Поэтому были исследованы микроструктура, микротвердость за­ готовки и детали после накатки, а также микрогеомет­

рия поверхности. Эксперименты проводились на Мин­ ском заводе шестерен па ведущей шестерне трактора ДТ. Накатка осуществлялась па шліщенакатном станке МА-49 за один проход с усилием накатки 54ІО4 /7, ско­ ростях прямого хода 500 мм/мин, обратного — 1000 мм/мин, со смазывающей жидкостью МС-20 [132, 167].

ІІсследоваиия показали, что микроструктура стали до накатки шлиц состоит из зерен перлита и феррита

сильно сжаты в тангенциальном направлении во впа­ дине шлица, вытянуты в радиальном направлении в об­ ласти самого шлица. Особенно это заметно у боковых его поверхностен. В центре вала изменения микрострук­ туры незначительны. Следует отметить, что в местах перехода от шлица к впадине зерна сильно вытянуты, а в углах перехода завихрены. В этих местах возможна концентрация внутренних напряжений.

Таким образом, поверхностные слои металла па бо­ ковой стороне шлиц и во впадине претерпевают значи­ тельные изменения.

Результаты измерений твердости показывают не­ равномерность распределения деформации п напряже­ ний в поперечном сечении накатанного шлицевого вала. Замечено увеличение твердости от центра вала к его периферии и снижение ее у самой поверхности. Это вызы­ вается различной степенью деформации в разных объе­ мах профиля. Поверхностные слои во впадине деформи­

148

рованы несколько меньше, чем нижележащие. Это объ­ ясняется тем, что материал этой части вала перераспре­ деляется и идет не только на удлинение, но и на уширение шлиц. Кроме того, в результате перераспределения происходит увеличение наружного диаметра шлицевого вала. По мере приближения к центру вала деформация носит затухающий характер, что является результатом уменьшения действия деформирующих сил в процессе накатки (рис. 46).

сти вала

В результате пластической деформации твердость по сравнению с исходной заготовкой в шлице возрастает на 20—25%, во впадине — на 30—32, в углах впадины — на 40—45% (исходная твердость равна 170 HRC).

Оценка шероховатости поверхностей шлицев, полу­ ченных фрезерованием и накаткой, определялась по вы­ соте мнкронеровностей. Измерения показали, что валы, полученные фрезерованием, имеют 3—4-й класс. Чистота поверхности наружного диаметра соответствует исходной заготовке, так как эта поверхность инструментом не об­ рабатывается. На всех образцах наружный диаметр об­ рабатывался на токарном станке и соответствовал 5-му классу. Величина шероховатости впадины вала при фре­ зеровании несколько выше, чем на боковой стороне. Это в основном зависит от геометрических параметров фре­ зы и установленных режимов резания. Обработка чер­ вячными фрезами повышает чистоту обработанных по­ верхностей до 5-го класса.

Валы, полученные накаткой, имеют значительно мень­ шую шероховатость боковой стороны и поверхности

149