книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

Испытания трех партий подшипников по 20 штук в каждой на расчетную долговечность 250 час при 2270 об/мин и радиальной нагрузке 2029 кг со смазкой индустриальным маслом 20 показали, что средняя дол­ говечность подшипников партии № 1 и партии № 3 (табл. 35) совпадает. Однако 50%-ная и особенно 90%-ная фактическая долговечность подшипников пар­ тии № 1 ниже соответствующей долговечности подшип­ ников партии № 3. Это свидетельствует о том, что поло­ жительный эффект упрочняющей обработки не может компенсировать отрицательного влияния повышенной ис­ ходной шероховатости поверхности.

Подшипники партии № 2, исходное состояние поверх­ ности желобов которых было таким же, как и у подшип­ ников партии № 3, характеризуются существенно луч­ шими показателями долговечности.

Проведенное исследование показало, что поверхност­ ное упрочнение наклепом деталей подшипников качения увеличивает их долговечность при исходной шероховато­

сти V 9—V 10.

Положительные результаты получены при алмазном выглаживании деталей подшипников.

Т а б л и ц а 35

Результаты стендовых испытаний шарикоподшипников -

№ 410 [216]

* Контрольная партия упрочнению не подвергалась.

152

1 Ipн алмазном выглаживании с оптимальными режи­ мами (усилие 20—30 кгс, скорость вращения изделия 180—200 м/мин; подача 0,02—0,06 мм/об) не наблю­ дается появления зон вторичной закалки и вторичного отпуска, что характерно для абразивной обработки за­ каленных сталей [113J.

Тем не менее при выглаживании закаленных сталей происходят фазовые превращения, которые сопровожда­ ются почти полным распадом остаточного аустенита с переходом его в мартенсит. Это явление обусловливает появление в поверхностном слое остаточных напряже­ ний. Так, после выглаживания закаленной стали 45 с усилием 12 и 23 кгс сжимающие напряжения достигают соответственно 75 и 98 кгс/мм2, а глубина их залегания — 260 и 320 мкм.

Градиент при различных режимах алмазного вы­ глаживания составляет 0 ,8 —1 , 2 кгс/мм2-мкм, в то время как после шлифовки — 5—40 кгс/мм2, а после полирова­ ния — 80—1 1 0 кгс/мм2 ■мкм.

Как отмечается в работе [174], испытания радиаль­ но-упорных подшипников высокомоментного турбобура Р7М4 с выглаженными беговыми дорожками показали повышение долговечности выглаженных подшипников в 2—3 раза. Тенденция к питтингообразованию выглажен­ ных поверхностей существенно уменьшается.

Л. И. Маркус [115] также изучал влияние алмазного выглаживания на контактную усталость деталей подшип­ ников (HRC 62—63). Им установлено, что выглаженные образцы из стали ШХ15 при 50%-ной вероятности раз­ рушения более долговечны (в 1,7 раза, а при 10%-ной вероятности в 3,5 раза), чем при обработке деталей су­ перфинишированием.

Результаты испытаний представлены на рис. 45, из которого видно, что выглаженные образцы обладают большей контактной выносливостью как при 1 0 %-ной, так и при 50%-ной вероятности выхода из строя. Раз­ брос данных при выглаживании меньше, чем при супер­ финише.

При алмазном выглаживании качество поверхности существенно улучшается: микротвердость стали ШХ15, например, увеличивается с 950 Н50 до Н50 1150 (при режимах: Р= 15 кгс, S = 0,038 мм/об, Ѵ=20 м/мин)-, шеро­ ховатость поверхности снижается (с V 9 до V 10—12);

153

Условия, когда детали испытывают одновременно высокие переменные изгибные и переменные контактные напряжения, довольно широко распространены в маши­ ностроении. Исследованию влияния различных методов упрочнения (в том числе и ППД) на усталостную и кон­ тактно-усталостную прочность посвящены работы М. А. Балтер и ее сотрудников [19]. В частности, большое вни­ мание было уделено выбору оптимальных методов упроч­ нения крупномодульных зубчатых колес, химико-терми­ ческая обработка которых нетехнологична и длительна. Попытка замены этого вида обработки закалкой с нагре­ вом т.в.ч. не дала положительного эффекта из-за устало­ стных поломок зубьев в неупрочненной впадине зуба.

Итолько обкатывание впадин зубьев роликом на

специальном станке-полуавтомате с усилием 9— 10 тыс. кгс позволило повысить предел усталости с 20 до 42 кгс/мм2, что соответствует наиболее высоким зна­ чениям предела выносливости после химико-термической обработки этих колес из стали 12Х2Н4А. Повысилась также и контактная усталость этих колес.

Контактно-усталостная прочность цементованной ста­ ли определяется исходными свойствами поверхностного слоя, знаком и величиной остаточных напряжений, спо­ собностью материала к пластической деформации и ше­ роховатостью [20].

Шлифование, как правило, ухудшает качество по­ верхности из-за наведения растягивающих остаточных напряжений, прижогов, образования зон вторичной за­ калки и т. д.

155

Обкатка роликом шлифованной поверхности позво­ ляет уменьшить ее шероховатость, а также улучшить эпюру остаточных напряжений, так как способствует образованию остаточных сжимающих напряжений.

Кроме того, поверхностный наклеп обеспечивает устойчивость остаточных напряжений сжатия в процессе циклического контактного воздействия в отличие от не­ прерывного изменения остаточных напряжений по вели­ чине и знаку, наблюдаемого у шлифованной поверхности.

Таким образом, контактная прочность при различных структурных состояниях поверхностного слоя определя­ ется не только его исходными свойствами, но и измене­ нием их в процессе контактного нагружения.

Эффективность обкатывания цементованной и азоти­ рованной поверхностей зависит от режима обработки, главным образом от величины усилия (удельного давле­ ния). Максимальное значение предела выносливости це­ ментованной стали достигается при удельных давлениях 560 кгс/мм2, а азотированной — при 640 кгс/мм2.

Влияние поверхностного наклепа на контактную уста­ лостную прочность цементованной стали исследовалось в работе [13]. Сравнивали различные виды ППД и чисто­ вой обработки при испытаниях на четырехроликовой ма­ шине при трении с проскальзыванием роликов диаметром 50 мм из стали 20Х2Н4А (HRC 59—60).

До цементации ролики подвергались чистовому точе­ нию, после полной термической обработки перед обдув­ кой дробью ролики шлифовали по 0,25 мм на радиус

Рис. 46. Глубина и ширина питтинговых выкрашиваний при различ­ ных видах обработки поверхности: 1 — шлифование; 2 — шлифова­ ние, электрополирование; 3 — шлифование, наклеп дробью, электро­ полирование; 4 — шлифование, наклеп дробью; 5—шлифование, элек­ трополирование, наклеп дробью

I5Ö

(V 9а—V 106), обкатку роликом с контурным радиусом 5 мм производили при подаче 0,115 мм/об с усилием 1000 кг. Профиль выкрашившегося участка .поверхности в поперечном сечении образцов-роликов, испытанных на контактную усталость, измеряли оптиметром (рис. 46).

Данные о глубине зоны выкрашивания хорошо согла­ суются с характером распределения остаточных напря­ жений в поверхностной зоне (рис. 47). При высоких сжи­

слоя и распределения в нем остаточных напряжений. Ре­ зультаты испытаний представлены на рис. 48 и в табл. 37.

Данные по контактно-усталостной прочности цемен­ тованной стали после различных видов обработки по­ верхности подтверждают, что шлифование после терми­ ческой обработки снижает контактно-усталостцую проч­ ность из-за образующихся при этом неоднородной структуры в поверхностном слое и растягивающих оста­ точных напряжений.

Данные испытаний показывают, что на контактную усталостную прочность оказывают влияние не только остаточные напряжения сжатия, но и твердость, а также шероховатость поверхности. Поэтому наибольшее повы­ шение предела контактно-усталостной прочности дости­

157

гается обкаткой роликом, в то время как наклеп дробью из-за увеличения шероховатости поверхности (несмотря на высокие остаточные напряжения сжатия) снижает

контактно-усталостную прочность по сравнению со шли­ фованием [15].

Данные о высокой стойкости цементованной поверх­ ности, подвергнутой обкатке, подтвердились при стендо­ вых испытаниях высоконагруженных подшипников из стали

20Х2Н4А.

Полученные результаты пока­ зывают, что на контактно-уста­ лостную прочность цементован­ ной стали шероховатость оказы­ вает большее влияние, чем на изгибную выносливость. Поэтому имеет большое значение разра­ ботка методов и режимов упроч­ нения, обеспечивающих наряду с благоприятным распределением остаточных напряжений высокий

Рис. 48. Контактно-усталостная проч­ ность цементированной стали 20Х2Н4А при различных видах обработки поверх­ ности (глубина слоя 1,3—1,5 мм): 1 — шлифование, наклеп дробью; 2 — шли­ фование; 3 —- шлифование, электрополи­ рование; 4 — шлифование, обкатка роли­

ком

класс чистоты поверхности. Примером такого вида обра­ ботки поверхности является обкатка роликом или алмаз­ ное выглаживание.

На величину микронеровностей при обкатке роликом оказывают влияние такие факторы: усилие обкатывания, подача, число проходов.

Оптимальное усилие обкатывания зависит от исход­ ной шероховатости и не зависит от профильного радиуса ролика в пределах 5—15 мм. Так, например, при про­ фильном радиусе ролика 5 мм. поверхность самой низкой

158

20Х2Н4А, если после шлифования была получена шеро­ ховатость 9-го класса.

Подача оказывает существенное влияние на шерохо­ ватость. Так, при увеличении подачи с 0,05 до 0,5 мм/об шероховатость резко возрастает. Дальнейшее увеличение подачи незначительно повышает шероховатость.

Увеличение количества проходов до трех уменьшает шероховатость тем сильнее, чем выше контактные на­ пряжения. Так, при контактном напряжении 560 кгс/мм2 в процессе обкатки цементованной стали получена не только лучшая микрогеометрия поверхности, но и макси­ мальный прирост твердости.

Улучшение шероховатости поверхности с 8—9-го до 10— 11-го классов, как и незначительные изменения гео­ метрии при обкатке роликом цементованных деталей, по­ зволяет рекомендовать этот процесс для прецизионных деталей с целью повышения контактной и усталостной прочности.

В работе [38] исследовалось влияние наклепа шари­ ком диаметром 10 мм на контактную выносливость нит­ роцементованной стали ЗОХГТ.

■Образцы из этой стали, цементованной на глубину 0,3; 0,6; 1,0 и 1,5 мм, после закалки и низкого отпуска (при 180 °С) упрочнялись одношариковым обкатником по следующим режимам: усилие — 75, 150, 200 и 250 кгс, подача — 0,07 мм/об\ скорость — 250 об/мин-, число про­ ходов — 1.

159

Твердость после обкатывания повысилась в диффу­ зионном слое на 100—130 единиц, по Виккерсу (с НѴ 600 до НѴ 700—730), глубина упрочненного слоя изме­

нилась от 0,4 до 1,3 мм, а шероховатость соответствовала 9-му классу.

Испытания, проведенные на машине МИ-1М при су­ хом трении качения и удельном давлении 52 кгс/см2 на

Рис. 49. Зависимость износа стали ЗОХГТ от глубины цементованного слоя и усилия обкатывания: / — глубина 0,3 мм; II — глубина слоя 0,6 мм; III — глубина слоя 1 мм; IV — глубина слоя 1,5 мм (1 — до обкатки; 2 — усилие 75 кг; 3 — усилие 150 кг)

базе 630 000 циклов, показали, что у обкатанных образ­ цов при глубине нитроцементованного слоя 0,3 и 0,6 мм, когда в структуре нет глобулей избыточных карбонитридов, износостойкость повышается примерно в 1,5 раза. При глубине диффузионного слоя более 1 мм в его струк­ туре появляются избыточные карбонитриды в виде круп­ ных включений и износостойкость таких образцов сни­ жается даже при усилии 75 кгс (рис. 49).

Таким образом, эффективность обработки ППД свя­ зана не только с выбором оптимальных режимов обра­ ботки, но и с исходной структурой поверхностного слоя.

На основании приведенных результатов можно сде­ лать вывод, что при правильных режимах обработки можно существенно улучшить качество поверхности и повысить контактную выносливость деталей при обра­

160

ботке нх поверхностным пластическим деформированием. Однако следует иметь в виду, что дисперсия значений долговечности при испытаниях на контактную выносли­ вость довольно велика, поэтому при оценке влияния раз­ личных методов и режимов обработки на контактную

выносливость необходимо проводить статистическую об­ работку результатов испытаний.

В связи с этим повышение среднего значения кон­ тактной долговечности в 1,5—2 раза может оказаться не­ существенным, и данный способ обработки не будет иметь преимуществ перед сравниваемым.

11. Зак. 986