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

можно считать постоянным. Для сталей 15, 35, 45, 45Г2 оно соответственно равно 875, 1160, 1320, 1830 МН/м2.

Таким образом, эксперименты показали, что глубина и размеры отпечатка увеличиваются с увеличением нагруз­ ки на ролик. Глубина проникновения ролика в деталь является одним из основных факторов, влияющих на из­ менение физико-механических свойств стали и микропро­ филя поверхности детали.

Давления, найденные по проекции отпечатка, в 2—2,5 раза меньше расчетных, полученных по формулам для упругих деформаций Герца и И. Я- Штаермана, и более, близки к результатам Ю. Г. Проскурякова [121]. Данные опытов совпадают с результатами других авторов, в част­ ности с исследованиями В. В. Иванова, проведенными на стали Ст. 5 [57, 58]. Как показали исследования, выпол­ ненные в Физико-техническом институте АН БССР, в каж­

60

дом конкретном случае на эффект упрочнения влияют также параметры обрабатываемой детали, инструмента, а также физико-механические свойства их материалов.

4.Изменение глубины наклепа

итвердости поверхностного слоя

При обкатывании цилиндрической поверхности роли­ ком, как уже говорилось, имеет место упруго-пластиче­ ская контактная задача, решив которую, можно было бы получить качественные и количественные характеристики изменения механических свойств по глубине поверхност­ ного слоя. Поэтому был предпринят ряд теоретических и экспериментальных исследований [115, 116], позволяю­ щих с достаточным приближением определять глубину деформации в зависимости от режимов обкатывания. С. Г. Хейфец [158], используя зависимости Герца и Беляе­ ва, установил зависимость между безразмерными величи­ нами P/a2as и t/a, которая позволяет вычислить или при­ нять значения параметров Р, a, as и найти величину на­ клепа (рис. 12, табл. 6).

Глубина наклепа в наших исследованиях определя­ лась по изменению твердости от поверхности образца к его середине. Расстояние между отпечатками пирамиды,

61

характеризующее максимальную и минимальную твердо­ сти, замерялось на микроскопе (рис. 13). Истинная глу­ бина наклепа вычислялась по формуле (12). Значения твердости по глубине наклепанного слоя сравнивались с исходной, которая определялась на том же шлифе. Это являлось критерием степени наклепа. Опыты показали, что проникновение пластической деформации в глубь де­ тали прежде всего зависит от давления в зоне контакта,

Рис. 12. График для определения глубины наклепанного слоя по методу С. Г. Хейфеца

т. е. от усилия, приложенного к роликам, а также от фи­ зико-механических свойств материала обрабатываемой детали.

С увеличением глубины внедрения ролика увеличива­ ется глубина проникновения пластической деформации, которая тем больше, чем пластичнее сталь. Для рассма­ триваемых сталей при прочих равных условиях наиболь­ шая глубина наклепа у стали 15, наименьшая — у стали 45Г2. Даже незначительное увеличение содержания угле­ рода у стали ведет к уменьшению проникновения пласти­ ческой деформации (табл. 7).

У деталей из стали 45Г2 по сравнению с деталями из стали 45 более значительная деформация наблюдается в непосредственной близости от поверхности. Эта -особен­ ность обусловлена благоприятным сочетанием высокой прочности с пластичностью, придаваемой стали мар­ ганцем.

Глубина наклепа исследуемых сталей не имеет пря­ мой пропорциональной зависимости от усилия обкатыва­ ния. Изменение твердости наклепанного слоя происходит по плавной кривой, переходящей почти в горизонтальную прямую (рис. 14). Сравнивая отношения глубин наклепа, полученных при разных усилиях обкатывания (табл. 7),

62

было отмечено, что нх величина для исследуемых марок сталей колеблется почти в одном пределе. Отношение наибольшей глубины наклепа к наименьшей для среднеуглеродистых сталей — величина постоянная, т. е.

Рис. 13. Микроструктура поверхностного слоя стали 15 после обка­ тывания с усилием 4,9 кН, Х200

Глубина упрочнения, полученная экспериментально п определенная по методу С. Г. Хейфеца, согласуется не­ плохо [147, 158]. Значения опытных данных несколько вы­ ше теоретических в связи с тем, что при расчете не учиты­ валось влияние сглаживающего ролика и масштабного фактора.

Исследование влияния числа проходов на глубину пла­ стической деформации показало, что глубина наклепа, близкая к максимальной, достигается уже при первом проходе. Образцы, обкатанные за один и десять проходов, не имели большого различия в глубине наклепанного

63

слоя. Количество проходов, особенно первых, на повыше­ ние твердости обрабатываемой поверхности влияет мало. Результаты экспериментов говорят о том, что в произ­ водственных условиях следует проводить обкатывание поверхности за один проход. Это обеспечит выполнение технологических требований и высокую производитель­ ность труда.

Н

64

П р и м е ч а н и е. В скобках—относительный прирост твердости, %.

Опыты показали, что степень наклепа поверхности за­ висит в основном от усилия обкатывания. Как видно из табл. 8 (обкатывание за один проход), с увеличением

усилия на ролике твердость повышается. Увеличение твердости поверхности наблюдается для каждой марки стали до «оптимальных» усилий обкатывания, свыше ко­ торых значения твердости остаются на одном уровне или несколько снижаются.

Последнее, вероятно, вызвано перенаклепом поверх­ ностных слоев стали. Наибольший прирост твердости (70%) отмечен у образцов из малоуглеродистой стали.

На степень наклепа влияет структура стали, ее хими­ ческий состав. С увеличением углерода уменьшается пла­ стичность стали, увеличивается исходная твердость и, как следствие, сопротивление пластической деформации.

Замеры микротвердости структурных составляющих в различно ориентированных зернах показали, что сте­ пень наклепа в них различна. Ферритные зерна претерпе­ вают значительные изменения, наклепываются сильнее, чем перлитные, причем они получают большее упрочне­ ние по периферийной части.

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод, что выбранные режимы обкатывания обеспечивают до­ статочную глубину наклепа и достаточное повышение твердости на поверхности образца, причем для сталей 45, 35, 45Г2 перенаклеп наблюдается лишь при усилии на ролики свыше 24,5 кН или чрезмерном уменьшении про­ дольной подачи. Большие усилия обкатывания влияют на

сталь 15 отрицательно: наблюдается некоторое течение металла впереди упрочняющего ролика с последующим выходом его па торец образца. В этом случае не всегда было получено нужное упрочнение поверхности, так как там, где наблюдалось течение металла, наклеп был не­ значителен или полностью отсутствовал.

Исследования показали, что холодная пластическая деформация вызывает в поверхностном слое стальных деталей ряд изменении физических, механических и хи­ мических свойств. При пластической деформации проис­ ходит искажение кристаллической решетки, изменение формы п размеров зерен, наступает напряженное состоя­ ние. При больших степенях деформации зерна не только меняют свою форму, но п заметно измельчаются; изменя­ ется субмнкроструктура кристаллитов — блоки зерен ста­ новятся более мелкими.

5.Изменение шероховатости поверхности

взависимости от усилия обкатывания

ичисла проходов

Зависимость чистоты поверхности от усилия обкаты­ вания имеет параболический характер (рис. 15), в первом приближении она может быть выражена функцией

где п — коэффициент, зависящий от усилия обкатывания, изменяется от 225,25 до 2250,22; т — коэффициент, зави­ сящий от химического состава стали, изменяется с умень­ шением углерода в стали от 0,20 до 0,35.

Улучшение чистоты поверхности с увеличением уси­ лия происходит до определенного момента, который со­ ответствует заполнению исходного микропрофнля по­ верхности. Дальнейшее увеличение усилия обкатывания приводит к резкому ухудшению чистоты [65, 148]. Анализ результатов эксперимента показывает, что шероховатость поверхности и характер микропрофиля после обкатыва­ ния зависят как от усилия, так и от химического состава стали. При одном и том же усилии обкатывания образцыиз разных сталей имели различную чистоту поверхности. Для сталей 45 и 35 (табл. 9) стабильные результаты ше­ роховатости поверхности были получены в диапазоне усилий от 7,3 до 19,6 кН, оптимальная шероховатость по-

6 6

верхностн получена при 9,8—12,2 кН. Для стали 15 ста­ бильные результаты получены в диапазоне усилий от 4,9 до 12,2 кН, оптимальная шероховатость поверхности до­ стигнута при 7,3 кН. Значительно большими возможно­ стями обладает сталь 45Г2. Для нее диапазон давлений от 4,9 до 19,6 кН позволяет получить устойчивые результэты; оптимальная шероховатость поверхности достигает­ ся при 9,8 кН. Интенсивное повышение класса чистоты

Усилие обкатывания свыше 22,0 кН вызывает на по­ верхности образцов из сталей 45 и 45Г2 перенаклеп и ше­ лушение, у стали 35 аналогичные явления наблюдаются при 24,5 кН и выше, Особенно заметно проявляется это при смазке обрабатываемой детали и инструмента керо­ сином. Вязкие смазки дают возможность обкатывать по­ верхность с более высокими усилиями, так как в этом слу­ чае улучшается теплоотвод из зоны деформации и устра­ няется налипание частиц металла на ролик.

Поверхность образцов стали 15 очень чувствительна к увеличению нагрузки, но не по причине перенаклепа, а из-за течения металла в направлении подачи инструмен­ та, что объясняется высокими пластическими свойствами стали и низкой ее прочностью. Наплыв металла по краям заготовки и волнообразная поверхность свидетельствуют

5*

6 7

о чрезмерном усилии на ролики. При данных размерах инструмента и образцов усилия обкатывания свыше 1 2 , 2 кН для стали 15 применять нецелесообразно. Из гра­

фиков (рис. 15) следует, что увеличение усилия до неко­ торого значения приводит к уменьшению высоты микронеровностей и улучшению микрогеометрии, дальнейшее увеличение приводит к перенаклепу поверхностного слоя металла и его разрушению. Ухудшение поверхности при обкатывании среднеуглеродистых сталей объясняется перенапряжением поверхностного слоя, которое наступа­ ет после того, как контактные давления в процессе обра­ ботки превысят предел прочности материала на разрыв. Появление на поверхности микротрещин способствует ин­ тенсивному ее разрушению (рис. 16).

Чтобы избежать осевого течения металла и возникно­ вения перенапряженного состояния, обкатывание нужно вести до полного заполнения микровпадин, что возможно при оптимальной величине деформирующего усилия. Лучшим видом обработки поверхности перед обкатыва­ нием является чистовое течение (Ла = 1,25—2,Ъ0 мкм). При прочих равных условиях, как показали проведенные эксперименты, лучшая чистота поверхности достигается, когда исходные шероховатости имеют более широкое ос­ нование (тупой угол при вершине).

Качество поверхности, полученное при обработке ро­ ликом, отличается от качества поверхности, обработанной шлифованием, по геометрическим характеристикам. Рав­ номерные, незначительные по высоте неровности «обте­ каемой» формы с большим шагом благоприятно сказы­

6 8

ваются, как будет видно ниже, па эксплуатационных свойствах стальных деталей (рис. 17).

Усилие обкатывания является одним из самых важ­ ных технологических параметров и практически оказы­ вает влияние на все технико-экономические показатели процесса: чистоту поверхности, степень упрочнения, эк­ сплуатационные характеристики детали, точность ее раз-

Рис. 16. Разрушение поверхности при перенаклепе (сталь 45, усилие обкатывания 24,5 кН), Х200

меров, производительность обработки и т. д., что обуслов­ лено самим характером обработки методом холодного пластического деформирования. Путем изменения одного только усилия обкатывания можно управлять всем про­ цессом обработки. Однако при этом следует учитывать, что оптимальная величина усилия в свою очередь зави­ сит от таких факторов, как механические свойства обра­ батываемого материала, качество поверхности после предварительной обработки, геометрия деформирующих элементов, технологические параметры обработки (пода­ ча, число проходов) и т. д.

Слишком малое обкатывающее усилие не обеспечи­ вает полного смятия гребешков исходного микропрофиля поверхности, а чрезмерно высокие усилия обкатывания, кроме возможного ухудшения чистоты поверхности, вред.

6 9