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

внутреннего диаметра. Среднеарифметическое отклоне­ ние профиля Rz находится в пределах 0,63—0,32 мкм, что соответствует 8-му классу чистоты.

Технологический процесс холодной накатки шлице­ вых валов экономически целесообразен. Это подтверж­ дается теоретическими расчетами, в основу которых по­ ложены данные технологического процесса Минского завода шестерен и действующие расходные нормы вре­ мени, зарплаты, материалов, инструмента, электро­ энергии [167].

3. Исследование выносливости шатунов дизельного двигателя

Одним из наиболее универсальных и эффективных способов повышения усталостной прочности является поверхностный наклеп, и в частности дробеструйная об­ работка заготовок и деталей машин. Как правило, на­ значение режимов дробеструйной обработки производит­ ся по аналогии с режимами упрочнения таких же дета­ лей или после проведения лабораторных экспериментов на образцах.

Для более точного определения режимов дробе­ струйной обработки необходимо дальнейшее изучение влияния отдельных ее параметров на эффективность упрочнения. Это особенно важно при нахождении опти­ мальных режимов поверхностной дробеструйной обра­ ботки деталей, работающих в сложных условиях нагру­ жения (например, шатуны, коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания и др.).

В работе приведены результаты исследований на вы­

150

Испытывались следующие серии образцов: образцы, подвергнутые термообработке и шлифованные на глуби­ ну обезуглероженного слоя; образцы, подвергнутые тер­ мообработке; образцы, термообработанные и подвергну­ тые дробеструйному упрочнению стальной дробью диа­ метром 0,6—0,8 мм при времени наклепа 2 мин; такие же образцы, упрочненные при времени наклепа 1 мин; об­ разцы, термообработанные и подвергнутые дробеструй­ ному упрочнению стальной дробью диаметром 1,0— 1,2 мм при времени наклепа 2 мин\ образцы, термообра­ ботанные и подвергнутые дробеструйному упрочнению стальной дробью диаметром 1,0—1,2 мм при времени наклепа 1 мин; такие же образцы при времени наклепа 0,5 мин.

После термической обработки образцы прошли конт­ роль на твердость, которая находилась в пределах 217— 249 НВ. Нагрев образцов перед нормализацией произво­ дится с целью получения на поверхности обезутлероженного слоя, соответствующего обезуглероженному слою на поверхности шатуна (глубина обезуглероживания 0,15—0,25 мм).

Режим упрочнения каждой серии образцов отличал­ ся или временем наклепа, или диаметром дроби. Режим дробеструйной обработки следующий: диаметр дроби — 0,6—0,8 мм или 1,0—1,2 мм, расход дроби — 40 кг/мин, скорость потока дроби — 42 м/с, материал дроби — пру­

перехода от 0 20 мм к стержню образца и сам стержень. В результате испытания получены пределы выносли­ вости образцов в зависимости от режимов их обработки

(табл. 20).

Таким образом, поверхностная обработка образцов дробью 0 0,6—1,2 мм повышает их предел выносливости на 40%; обезуглероженный слой снижает предел вынос­ ливости на 40%. Установлено, что диаметр дроби при об­ работке существенного влияния на изменение предела выносливости не оказывает, а длительность обработки дробью оказывает существенное влияние на упрочнение образцов, причем с увеличением времени обработки до 1 мин предел выносливости возрастает, а затем снижает­ ся. С целью определения влияния наклепа на предел

151

иие предела усталости повысилось до 186,4 МН/м2, т. е. на 32%. Во время испытания разрушения происходили только по стержню. Очагами усталостного разрушения явились макроиеровиости поверхности двутавра шатуна, влияние которых ие смогла ликвидировать дробеструй­ ная обработка.

В результате испытаний шатунов, изготовленных из стали 40Р, получен предел выносливости при растяже­ нии— сжатии 147,1 МН/м2. Разрушение шатунов проис­ ходило или по стержню, или по поршневой головке. Один из шатунов при напряжении 166,7 МН/м2 выдер­ жал 1,84-ІО6 циклов нагружения и разрушился по порш­ невой головке. Трещина усталости началась с края от­ верстия под втулку поршневого пальца. Очагом явилась острая кромка в отверстии верхней головки под втулку поршневого пальца (отсутствие, фаски).

Результаты испытания этой серии показывают, что очагами усталостного разрушения шатунов явились либо дефекты поверхности, полученные в результате обгара штампа или небрежной транспортировки шатуна, либо технологические концентраторы напряжений.

Шатуны, изготовленные из стали 40Р и подвергнутые дробеструйному упрочнению, при испытании имели пре­ дел выносливости 176,6 МН/м2, что на 20% выше преде­ ла выносливости неупрочненных шатунов.

В шатунах, разрушенных по поршневой головке, оча­ гами явились наиболее глубокие места контактной кор­ розии. Трещины усталости начинались с внутренней по­ верхности поршневой головки с мест глубоких раковин, образованных контактной коррозией.

Таким образом, дробеструйная обработка шатунов, изготовленных из стали 40Х, повышает предел выносли­ вости по стержню до 186,4 МН/ м2 (на 32%), а шатунов, изготовленных из стали 40Р, до 176,6 МН/м2 (на 20%). Эксперименты показали, что усталостные разрушения неупрочненных шатунов, изготовленных из сталей 40Х и 40Р, главным образом происходят по стержню шатуна и лишь в отдельных случаях по поршневой головке, что является следствием отсутствия фаски на торцах отвер­ стий под втулку поршневого пальца.

У упрочненных шатунов из стали 40Х разрушения также происходят по стержню, а у шатунов, изготовлен­ ных из стали марки 40Р, отмечены разрушения как по

153

стержню, так и по поршневой головке, что указывает на достаточную равнопрочность этих элементов после дро­ беструйного упрочнения.

Устранение концентраторов напряжений, таких, как штамповочные клейма, поперечные риски от зачистки стержня шатуна наждачным кругом под испытания на твердость и самих отпечатков шарика, острых кромок на торцах отверстий под втулку поршневого пальца, в со­ четании с дробеструйным упрочнением позволяет значи­ тельно повысить предел выносливости шатуна, а это от­ крывает возможности снижения его веса и повышения надежности двигателей внутреннего сгорания.

4. Эксплуатационные испытания деталей машин, обработанных поверхностным наклепом

Изучение поверхности и характера износа деталей сельскохозяйственных машин и промышленного обору­ дования, работающих при трении скольжения в усло­ виях, близких к граничной смазке, позволило сделать некоторые обобщения. Стальные детали типа осей: оси сеялок, плугов, вариаторов комбайнов и др., штоки куз­ нечных молотов, направляющие стойки, зеркало гидрав­ лических цилиндров и т. д., как правило, имеют нерав­ номерный износ как в осевом, так и в радиальном на­ правлении. На деталях сельскохозяйственных машин в большинстве случаев отмечены задиры, местные вырывы.

При изучении металла по сечению детали можно было выделить слой, структура которого, а следователь­ но, и все связанные с ней свойства отличались от струк­ туры и свойств основного металла. Измерения твердо­ сти поверхности трения оси вариатора жатки комбайна СК-4 (ст. 35) показали, что ее твердость выше твердости основного металла на 6—7 ед. Яд. Отмечено также, что соприкосновение геометрических контуров сопряженных деталей, как правило, происходит по вершинам наиболее выступающих неровностей, образовавшихся в процессе механической обработки и эксплуатации. Под действием внешней нагрузки входящие в контакт выступы дефор­ мируются, что приводит к объемным деформациям от­ дельных участков поверхностного слоя, к изменению остаточных внутренних напряжений. Как было показано выше, наклепанный слой состоит из раздробленных кри­

154

сталлических зерен, межатомные связи которых значи­ тельно уменьшены.

В большинстве случаев площадь истинного контакта поверхностей трения значительно меньше их номиналь­ ной площади. При этом нагрузка воспринимается от­ дельными частями поверхности трения, чем и объясняет­ ся неравномерный, а в ряде случаев интенсивный износ. Это является следствием геометрических погрешностей формы деталей, а также характером микропрофиля по­ верхностей трения. От последнего зависят, как мы виде­ ли при лабораторных исследованиях, несущая способ­ ность и износостойкость поверхности. Эти выводы под­ тверждены эксплуатационными испытаниями, при кото­ рых методика исследований в основном сохранена.

Сравнительные испытания на износ поверхности в зависимости от вида ее обработки проведены на дета­ лях, находившихся в реальных условиях работы. Были испытаны детали № 60421 А и 60422 как со шлифованной, так и с обкатанной поверхностью. Ось вариатора мотови­ ла жатки комбайна работает в паре с втулкой из серого

155

Диаметр роликов 30 мм, профильный радиус упрочняю­ щего 10, сглаживающих — 500 мм. Высота микронеровностеіі поверхности заготовок была в пределах 6-го клас­ са, после обкатывания — в пределах 8-го класса. Вели­ чина абсолютного износа определялась как разность диа­ метра детали до испытаний и после их.

Наблюдения показали, что износ поверхности оси вариатора происходит неравномерно, большая выработ­ ка с одной стороны с углом охвата 130— 150°. Это про­ исходит вследствие одностороннего действия силы от натяжения ремня. После опытов поверхность деталей имела класс чистоты более низкий, чем до опытов. В не­ которых случаях на шлифованной поверхности были следы задиров. У осей и поршней с обкатанной поверх­ ностью этих явлений не было. Износ сопряженной дета­ ли (чугунной втулки) всегда был равномерным и незна­ чительным. Поверхность имела высоту шероховатостей такую же, как до опыта. Удельный износ осей с обка­ танной поверхностью был в два раза меньше, чем у дета­ лей со шлифованной поверхностью (габл. 21).

За время работы в разных хозяйствах республики не отмечалось простоя комбайнов из-за выхода из строя узла, детали которого обработаны обкатыванием. Резино­ вые кольца, работающие по поверхности поршня, и сам поршень не имели следов износа. Не наблюдалось также утечки масла. Проведение эксплуатационных испытаний в хозяйствах, имеющих разный рельеф местности и уро­ жайность зерновых, позволило исключить субъективные причины, влияющие на износ. Полученные данные гово­ рят, что обкатывание имеет преимущества перед шли­ фованием, что при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием возможна замена сред­ неуглеродистой стали более дешевой малоуглеродистой, без ущерба для эксплуатационных свойств деталей.

Эксплуатационные испытания обкатанных деталей, проведенные на оборудовании Минского завода автома­ тических линий, также дали положительные результаты [149]. Однако эффективность наклепанного слоя в экс­ плуатационных условиях все же проявляется по-разному. Наилучшие результаты достигаются при работе сопря­ жений с небольшими давлениями и скоростями скольже­

1 5 6

ния. За счет повышения микротвердости поверхностного слоя уменьшается егоистирание, однако связь микротвердости с износостойкостью носит больше качествен­ ный характер и пока трудно поддается математическому описанию.

Экономическая эффективность технологического про­ цесса обкатывания наружных цилиндрических поверх­ ностей в сравнении со шлифованием подтверждается так­ же ориентировочным расчетом технологической себестои­ мости, сделанным по методике А. А. Маталина [ПО, 111].

Теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать заключение, что повышение качества обработанной ППД поверхности обеспечивает увеличе­ ние долговечности и повышение износостойкости деталей машин.

Полученные зависимости и установленные законо­ мерности в большинстве случаев могут быть отнесены к широкому кругу деталей, изготовленных из различных металлов и сплавов.

Основными факторами, влияющими на глубину и степень ППД, на шероховатость, а также на величину остаточных напряжений, размер блоков, плотность дис­ локаций и износостойкость деформированного слоя, являются среднее давление в зоне контакта рабочего инструмента с деталью, продольная подача н число про­ ходов. Технологические, режимы обработки ППД в каж­ дом конкретном случае должны быть уточнены экспери­ ментально с учетом масштабного фактора, физико-меха­ нических свойств н шероховатости обрабатываемой поверхности.

В связи с тем что при обработке деталей ППД новая поверхность получается в результате одновременного действия геометрических факторов и пластической де­ формации, основное внимание необходимо уделять во­ просу топографии и геометрической точности формы инструмента н предварительно обработанной поверх­ ности заготовки.

Рентгеноструктурный анализ, металлографические исследования и электроноскопия показывают, что при обработке детален ППД упрочнение поверхностного слоя, изменение его микроструктуры, износостойкости и

1 5 7

ЛИТЕРАТУРА

рых физических свойств металлов в процессе усталости. ДАН БССР, 1959, № з.

10.Б а р а н о в с к и ii M. А., Ф и л я e в А. Т. и др. Влияние вы­ соких скоростей деформирования на структуру металлов п сплавов. Сб. научных трудов БИМСХ, вып. 22. Горки, 1972.

11.Б а р в е л л Д. Влияние поверхностного слоя смазки на из­ носоустойчивость. В сб. «Свойства металлических поверхностей». Под ред. проф. Е. П. Дьяченко. М., 1954.

сжатии соприкасающихся тел. Сб. Ленинградского нн-та инженеров путей сообщения. Л., 1929.

15. Б е р н ш т е й н М. Л. п Ш т р е м е л ь М. А. О «наследст­ венном» влиянии наклепа на свойства стали. «Физика металлов и ме­ талловедение», т. 15, вып. 1. М., 1963.

16. Б л о к Г. Борьба с пзнссом. «Прикладная механика и ма­ шиностроение», 1952, № 5.

1 5 9