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

но отражаются па системе СПИД, ускоряют износ инс­ трумента.

Значительный практический интерес представляет изучение влияния числа проходов инструмента на каче­ ство поверхности. Анализ экспериментов показывает, что в процессе многократного воздействия па поверхность происходит упруго-пластическая деформация: каждый

Рис. 17. Шероховатость н характер микропрофиля поверхности об­ разцов из стали -15: о — после токарной обработки (6-й класс чисто­ ты); б — после шлифования (8-п класс чистоты); в—в — после обка­

проход способствует дополнительному упрочнению стали, увеличению наклепа и сглаживанию микронерові-гостей. До определенного числа проходов чистота поверхности улучшается, затем начинает ухудшаться. Последнее объ­ ясняется перенаклепом отдельных участков. Этот процесс проявляется тем нагляднее, чем больше в стали углерода (рис. 18).

В процессе обработки сталей пластическим деформи­ рованием на поверхности возникают напряжения сжатия, которые распределяются неравномерно как по сечению детали, так и в направлении движения ролика. Это обу-

7 0

словлено технологическими факторами, жесткостью си­ стемы, а также микропрофилем обкатываемой поверхно­ сти. Микрообъемы металла, расположенные в гребешках, получают большее упрочнение, чем металл, находящийся во впадинах. Поэтому, с одной стороны, для получения равномерного упрочнения и более высокого класса чисто­ ты поверхности необходимо, казалось бы, идти по пути увеличения числа одновременно работающих роликов или

Рис. 18. Зависимость чистоты поверхности от числа проходов ролика

( Р = 9,8 кН, п=300 об/мин, S = 0,21 мм/об, 0=130 мм, d = 40 мм, f i 10 мм): / — сталь 45; 2 — сталь 35; Я— сталь 15; 4 — сталь 45Г2

увеличения числа проходов. Но последнее влечет за со­ бой резкое снижение производительности процесса. По­ этому в практике все чаще находят применение много­ роликовые инструменты, которые позволяют - получить равнопрочную поверхность на всей длине обрабатывае­ мой детали.

Оптимальная чистота поверхности деталей из сталей 45, 35, 45Г2 была получена после 3—4 проходов ( R a . = 0,115—0,125), при дальнейшем увеличении числа

проходов чистота поверхности постепенно ухудшалась, появлялась волнистость, затем шелушение. Отрицатель­ ное влияние чрезмерного количества проходов на стали 15 и 45Г2 сказывается несколько меньше. По мере износа инструмента в процессе эксплуатации радиус увеличивал­ ся, чистота поверхностей обкатанных деталей и образцов улучшалась с одновременным уменьшением степени и глубины наклепа. Естественно, что это связано с нзмене-

71

паем величины контактных напряжений, которые в свою очередь зависят от геометрических параметров инстру­ мента.

Зависимость шероховатости от числа проходов, так же как и от усилия обкатывания, имеет параболический ха­ рактер. Это обстоятельство еще раз подтверждает корре­ ляционную связь основных технологических параметров процесса обкатывания наружной поверхности роликом с фнзнко-мехаппческпмп свойствами материала и качест­ вом поверхностного слоя.

В производственных условиях (па Минском вагоно­ ремонтном заводе им. Мясникова и Минском заводе ав­ томатических линий) два прохода обеспечивают нужную микрогеометрню поверхности с повышением чистоты по­ верхности па 3—4 класса. Надо полагать, что для увели­ чения производительности труда необходимо идти по пу­ ти увеличения скорости обкатывания и применения авто­ матов с мпогороликовым инструментом.

Технологический процесс обработки сталей наклепом основан на перераспределении объемов материала из гре­ бешков во впадины, что влечет к изменению диаметра обрабатываемой детали.

Относительное изменение диаметра приближенно мо­ жет характеризовать степень пластической деформации. Величина сминаемого слоя зависит от высоты исходной шероховатости, вида предварительной обработки и режи­ мов обкатывания. Экспериментальные данные по опреде­ лению величины припуска при обкатывании образцов приведены в табл. 1 0 .

7 2

кое уменьшение диаметра. Это объясняется тем, что про­ исходит не только смятие микроиеровностей и пластиче­ ская деформация в радиальном направлении, но и начи­ нается интенсивное перемещение металла в осевом направлении па торец детали. Этот факт еще раз свиде­ тельствует о необходимости правильного выбора усилий обкатывания в каждом конкретном случае. Эксперимен­ тальные данные обобщены в эмпирической зависимости Ad = 2a(Ra— 1), где Ra — среднеарифметическое отклоне­ ние микроиеровностей от средней линии профиля поверх­ ности детали до обкатывания, равное 2,5 мкм; а — вели­ чина сближения центров детали и ролика при условии абсолютной жесткости последнего.

Как показали эксперименты, с ростом высоты микро­ неровностей исходной поверхности растет припуск под обкатывание. Например, у деталей диаметром 40 мм из сталей 45 и 45Г2 после их обкатывания с усилием на ро­ лик 9,8 кН отмечено следующее уменьшение диаметра: при Ra, равном 7; 3; 2,5 мкм, соответственно иа 0,21; 0,17; 0,14 мм.

Точность обкатывания при одной настройке приспособ­ ления мало чем отличается от точности чистового точе­ ния. С уменьшением высоты микроиеровностей исходной поверхности необходимо повышать точность ее обработ­ ки, так как возможность исправления погрешностей за счет перераспредления макрообъема металла при обкаты­ вании уменьшается. Обкатывание образцов плавающим приспособлением ие исправляет погрешностей формы, ибо ролики движутся по траектории, определяемой фор­ мой обрабатываемой поверхности, и, наоборот, с увеличе­ нием объемных остаточных деформаций растут погреш­ ности.

6.Изменение шероховатости поверхности

взависимости от величины продольной подачи

инструмента

Усилие, приложенное к роликам, совместно с усилием, возникающим при продольной подаче инструмента, вы­ зывает сложную совокупность действующих сил в зоне

7 3

Т а б л и ц а II

Изменение шероховатости поверхности в зависимости от величины

контакта. Подчиняясь закону наименьшего сопротивле­ ния, металл из мест наибольшего давления перемеща­ ется в места наименьшего давления. В результате этого перед упрочняющим роликом образуется «волна», кото­ рая увеличивается с увеличением нагрузки на ролик, про­ дольной подачи и с уменьшением исходной высоты шеро­ ховатости. Наличие продольной подачи снижает эффек­ тивность процесса обкатывания вследствие осевого тече­ ния металла относительно обрабатываемой поверхности. Продольная подача инструмента оказывает существен­ ное влияние не только па качественные характеристики поверхности, по также па величину и глубину деформа­ ции (табл. 11). Зависимость шероховатости от подачи имеет плавный характер, что позволяет получать требуе­ мую чистоту в необходимом интервале подач (рис. 19).

Результаты экспериментов говорят о том, что при по­ дачах меньше 0,14 мм/об происходит ухудшение чистоты поверхности. Это объясняется длительным контактом ин­ струмента с элементарными участками поверхности. При малых подачах отмечено течение металла из-под ролика как в направлении подачи, так и в направлении, проти­ воположном ей. Последнее вызывало искажение ранее образованного профиля. Наблюдается картина перена­ пряженного поверхностного слоя детали в связи с дли­ тельным действием па него инструмента.

Ухудшение чистоты поверхности при малых подачах у образцов из малоуглеродистой стали менее заметно, так как глубина проникновения ролика в деталь гораздо

74

большая, чем у образцов из среднеуглеродистых сталей, а давление ввиду большей площади контакта значитель­ но меньше.

Оптимальная шероховатость поверхности па образ­ цах из средпеуглеродпстых сталей была достигнута в диа­ пазоне подач 0,20—0,26 мм/об, а на образцах из стали 15 — 0,18—0,23 мм/об.

Рис. 19. Зависимость чистоты обкатанной поверхности от продольной подачи (Я= 9,8 кН, /г=300 об/мин, d=A0 мм, 0=130 мм, р=10 мм):

1— сталь 15; 2 — сталь 35; 3 — сталь 45; 4 — сталь 45Г2

Заметное ухудшение чистоты поверхности среднеугле­

Это ухудшение проявляется прежде всего в появлении волнистости. При обработке деталей из стали марки 15 глубина проникновения ролика в металл более значитель­ на, чем при обкатывании сталей 45 и 45Г2. При этом до­ пустимы значительно большие подачи, кривая зависимо­ сти чистоты поверхности от величины подачи более плавная.

После обкатывания образуется новая поверхность с неровностями, высота, форма и шаг которых определя­ ются основными технологическими режимами обработки [148]. При рассмотрении принципиальной схемы (рис. 20) обработки поверхности роликом, связывающей основные величины, влияющие на мнкрогеометрию поверхности, видно, что Ah — высота микронеровностей поверхности после обкатывания зависит от изменения подачи. Есте­ ственно, глубина проникновения инструмента зависит от

75

механических свойств материала и характеризует величи­ ну упругой деформации.

С изменением продольной подачи от нуля до бесконеч­ ности Ah теоретически может изменяться от нуля до еди­ ницы. Из треугольников abd и obe видна зависимость ме­ жду основными величинами, влияющими на мпкрогеометрню поверхности: продольной подачей, профилем ро-

Рис. 20. Зависимость высоты міікронероізпостеіі от продольной по­ дачи и профильного радиуса ролика (схема)

лика, наибольшей Лі и наименьшей ho глубиной проник­ новения ролика в деталь:

Значения Ah, найденные из выражения (32), подтверж­ дают полученные экспериментальные данные, что с опре­ деленных величин подачи высота микронеровностей обка­ танной поверхности начинает быстро увеличиваться (табл. 1 2 ).

Если S найти из выражения (31), Ah принять прибли­ женно равным величине сближения ролика и детали а, т. е.

где К — коэффициент, учитывающий свойства материала и его пластичность, то из выражения (33) нетрудно за­ метить, что величина подачи растет с увеличением про­ фильного радиуса инструмента. Она зависит от механи­ ческих свойств обкатываемого материала: чем пластич­ нее металл (а больше), тем величина подачи больше, с ростом усилия на ролик величина подачи растет. Зависи­ мость подтверждает, что с увеличением давления в зоне

контакта подача должна увеличиваться, так как длитель­ ное контактирование ролика с микрообъемами при малых, подачах вызывает или перенапряжение в поверхностном слое (для сталей со средним содержанием углерода), или течение металла из-под ролика (для сталей с малым со­ держанием углерода).

Исследование других технологических факторов об­ катывания показало, что они особого влияния на про­ цесс наклепа и качество поверхности не оказывают [71]. Например, скорость влияет в основном на производитель­ ность труда. Правда, при увеличении скорости обкатыва­ ния несколько снижается степень пластической деформа­ ции [170]. Это объясняется ее энергией. Скорость распро­ странения волны пластической деформации — величина постоянная для данного материала, и при больших ско­ ростях деформирования она не успевает распространить­ ся на значительную глубину.

Таким образом, сущность процесса размерночисто­ вой — упрочняющей обработки наружных цилиндриче­ ских поверхностей пластическим деформированием за­

77

ключается в смятии гребешков мпкронеровностей под действием приложенного к ролику усилия, заполнении впадин за счет перераспределения микрообъемов метал­ ла, изменении микроструктуры, твердости и внутренних остаточныX иапряжеиий.

Выступы мпкронеровностей под действием радиаль­ ных сил в зоне контакта постепенно притупляются, шири­ на гребешков увеличивается у основания, а глубина и ши­ рина впадин уменьшается. По мере заполнения микро­ впадин металлом улучшаются чистота и микропрофиль поверхности. Дальнейшая пластическая деформация, со­ провождающаяся перемещением металла в радиальном и осевом направлениях, оказывает влияние на характери­ стики упрочнения, шероховатость поверхности и ее профиль.

При качении ролика по обкатываемой цилиндриче­ ской поверхности на величину и характер деформаций оказывают влияние как напряжения в зоне контакта, так и силы трения, возникающие вследствие окружного про­ скальзывания роликов и осевого их перемещнпя.

В данном случае в отличие от чистовой обработки де­ талей резанием волокна стали не ослабляются за счет разрушения, а, наоборот, в них создаются благоприятные сжимающие напряжения с одновременным уменьшением высоты мпкронеровностей поверхности. Завальцовывание микротрещин металла в поверхностном слое способствует сохранению целостности волокон.

Опыты показали, что поверхностные слои в результате наклепа претерпевают значительные структурные измене­ ния. Зерна вытягиваются в направлении движения ин­ струмента, приобретают ориентацию. При этом величина пластической деформации, как и характер мнкропрофнля, зависит в основном от давления на контактной пло­ щадке и от химического состава стали. Усилие обкатыва­ ния, число проходов, продольная подача, размеры, форма деталей и инструмента, физико-механические свойства материалов являются основными факторами, влияющи­ ми на глубину, степень наклепа и шероховатость поверх­ ности. Лучшим видом обработки, предшествующей обка­ тыванию, является точение, когда чистота поверхности после него находится в пределах шестого класса, высту­ пы и впадины чередуются равномерно, нет вмятин и над­ ломленных гребешков. Это легко достигается обработкой

7.8 .

резцами с малыми углами в плане и особенно ротацион­ ным резанием [73].

точное упрочнение поверхности при высоком классе ее чи­ стоты, но может значительно повысить производитель­ ность труда, снизить себестоимость выпускаемых изделий. Универсальность процесса обработки поверхности пла­ стическим деформированием выгодно отличает его от шлифования, поэтому он может быть рекомендован для более широкого внедрения в промышленном сельскохо­ зяйственном машиностроении и ремонтном производстве.

7. Влияние наклепа на антикоррозионные свойства поверхности

При эксплуатации и хранении детален машин их по­ верхности, особенно поверхности трения, подвергаются механическому и молекулярному воздействию. Большое влияние при этом оказывает окружающая среда: в одних

верхности детали. Антикоррозионная стойкость поверх­ ности во многом зависит от ее предшествующей механи­ ческой обработки. Поэтому представляет большой практический и теоретический интерес вопрос о влиянии наклепа на изменение физико-механических и физико-хи­ мических свойств поверхности. С целью изучения влияния поверхностного наклепа на антикоррозионную стойкость были проведены эксперименты на образцах из сталей 15, 35, 45, 45Г2. Образцы были обкатаны с усили­ ями на ролики от 2,4 до 24,5 кН. В зависимости от усилия обкатывания величина пластической деформации наруж­ ного слоя, как и чистота поверхности, была различной [148]. Для сравнения были взяты образцы со шлифован­ ной поверхностью.

Исследования проводились в следующих средах: ма­ шинное масло, естественные атмосферные условия лабо­ ратории, смесь паров концентрированной соляной кисло­ ты II воздуха. Время эксперимента для первых двух сред равно 18 месяцам, для третьей — 480 час. Температура в первом случае колебалась в пределах 291—297 °К, во вто­

79