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

стали 45—90 кгс/мм2; для стали У7 — 100 кгс/мм2. В слу­ чае обкатывания с подачей 0,47 мм/об получим соответ­

зом, изменяя величину подачи при упрочнении, можно в больших пределах (1,5—2 раза) уменьшить или увели­ чить усилие обкатывания без существенного снижения поверхностной твердости.

В работе [200] показано, что при накатывании стали 45 (Dp=100 мм, RuV = 5 мм) с усилием 900 кгс с увели­ чением числа проходов от 1 до 10 глубина наклепанного слоя не изменилась и была равной 5 мм. Тем не менее поверхностная твердость увеличилась от 32 до 46%• Упрочнение одношариковой обкаткой образцов из стали 20Г (Р=150 кгс, У=125 м/мин, 5 = 0,12 мм/об) позволи­ ло увеличить микротвердость поверхности в пределах от 170 до 200 кгс/мм2 при увеличении количества проходов до 10 [6].

Поверхностное пластическое деформирование сопро­ вождается изменением механических свойств материала: изменяются характеристики материала, способствую­ щие повышению сопротивления пластическому деформи­ рованию материала (твердость, предел текучести, предел прочности, предел упругости), и снижаются показатели пластичности (относительное удлинение, сужение и удар­ ная вязкость). В табл. 8 приведены изменения механи­

50

пие и анализ влияния методов упрочнения на остаточные напряжения в связи с различием условий эксперимен­ тов. Кроме того, в ряде исследований определялись либо осевые, либо тангенциальные напряжения, что не дает полного представления о характере напряженного со­ стояния поверхностного слоя.

В связи с этим нами проведены исследования осевых (ог) и тангенциальных (оо) остаточных напряжений первого рода, полученных при упрочнении одношарико­ вой, многошариковой, многороликовой обкатками, алмаз­ ным выглаживанием и виброобкаткой в широком диапа­ зоне режимов обработки.

Методика исследования

Исследования влияния методов и режимов упрочне­ ния на формирование остаточных напряжений выполне­ ны на образцах из стали 45 в состоянии поставки, улуч­ шенной и закаленной. Для большинства экспериментов

ных экспериментах производилось упрочнение цельных образцов с последующим сверлением и шлифованием внутреннего диаметра. Из указанных образцов выреза­ лись кольца высотой 12 мм и пластины 10X42 мм для определения соответственно тангенциальных и осевых остаточных напряжений.

После вырезки и разрезки колец по образующей про­ изводится измерение деформации разрезки бр. В пла­ стинах измеряется прогиб от вырезки пластины из трубы.

Поверхностные слои снимались электрополированием одновременно на восьми образцах, установленных на оправку или в приспособление для электрополирования пластин.

В зависимости от вида и режимов упрочнения, а так­ же от состояния стали интервалы снятия слоев состав­ ляли 0,03—0,3 мм. При этом у поверхности первые слои снимались в пределах 0,03—0,1 мм и при дальнейшем углублении величина снятого слоя соответственно уве­ личивалась. Снятие слоев прекращалось при внутреннем диаметре, равном диаметру неразрезанного кольца, или при исчезновении прогиба пластины.

53

Наружный диаметр колец для установления величи­ ны снятого слоя измерялся па оптиметре в трех сечениях. Внутренний диаметр измерялся также в трех сечениях на большом инструментальном микроскопе, и по средне­ му трех замеров вычислялась величина остаточной де­ формации кольца 8і. Величина снятого слоя а,- рассчи­ тывалась с учетом деформации по формуле

деформации, т. е. когда внутренний диаметр уменьшает­ ся, а знак— при увеличении кольца.

Толщина снятого слоя пластины измерялась специ­ альным индикаторным прибором с ценой деления 0,001 мм для замера перемычки сверл. Ножки прибора имеют радиус скругления г= 1,5 мм, и это позволяет из­ бежать влияния поперечной деформации на толщину пластины. Изменение деформации пластин производи­ лось на специальном приборе для измерения прогибов с точностью 0,001 мм. Разность между предыдущим и по­ следующим замерами составляет деформацию пластины.

Остаточные напряжения определялись по методике Н. Н. Давидеикова с учетом произведенных И. А. Бирге­ ром уточнений [25].

По полученной экспериментально зависимости дефор­ мации кольца или пластины от величины снятого слоя производится расчет остаточных напряжений по сечению поверхностного слоя.

Расчет заключается в определении функций остаточ­ ных напряжений. Функция тангенциальных остаточных напряжений определяется пе формуле

{б [ т ' >’ -£-(“->+

Для расчета функции осевых остаточных напряжений по зависимости деформации пластин от величины снято­ го слоя используется следующая формула:

54

h

кольца после разрезки или пластины после вырезки; б — величина деформации кольца или пластины при снятии

слоя.

Для вычисления производной dö/da (а;) используется

+ ( г і ( еі - і - ' г г і)

\еі-1ег

где г — снятый слой для данного снятия (е*), предыду­ щего (ві—-1) и последующего (ег+і).

Следует отметить, что трудоемкость определения ве­ личин производных dö/da по указанным формулам в де­ сятки раз меньше но сравнению с методом графического дифференцирования. При этом различие в значениях производных, определенных этими двумя методами, не превышает 5—10% [57].

55

Для расчета функций остаточных напряжений Fe(ai) и Fz(at) составлен алгоритм и разработана программа для расчета на ЭВМ.

Расчет остаточных напряжений производится по фор­ мулам:

а) тангенциальных

где р — коэффициент Пуассона.

Поскольку, как правило, at для Fа и Fz не совпадают, то для выбора этих параметров строятся графики функ­ ций FQ и Fz от а, и по данным графиков производится расчет.

Остаточные напряжения при упрочнении дисковыми роликами

На рис. '18 приведены зависимости остаточных напря-. жений и глубины их распространения от величины уси­ лия [200]. Упрочнение образцов из нормализованной стали 45 0 160 мм производилось двухроликовым при­ способлением. Оба ролика 0 100 мм имели профильные

зг

24

16

Рис. 18. Зависимость oz от усилия на ролик при различных профиль­ ных радиусах: 1 — Raр= 5 мм; 2 — 12; 3 — RaР = 24 мм

56

öz имеет перегиб, положение которого с увеличением Rnр смещается в сторону больших усилий. Так, для Д пр~- = 5 мм максимальные az получены при усилии Р = = 1300 кге, а для Rnр = 24 мм — при Р = 2600 кгс. С уве­ личением 7?пр абсолютная величина максимальных аг возрастает и при /?пр == 12 мм достигает максимума.

Зависимость тангенциальных остаточных напряжений имеет сходный характер. Однако абсолютная их величи­

= 0,11 мм/об) с увеличением усилия обкатки максималь­ ные осевые остаточные напряжения продолжают расти в диапазоне усилий, применяемых в практике упрочнения деталей (рис. 19). Тем не менее, начиная с некоторого усилия, рост 0 Z замедляется [21]. При увеличении проч­ ности и твердости сталей от HRC 25—28 до HRC 51—54 величина az заметно возрастает. Наибольшие значения Gz достигаются при упрочнении мартенситных структур, а для однотипных структур az выше для более прочной стали 45ХНМФА.

В работе [13] также не достигнуто снижение аѳ по мере увеличения усилия. Причем на улучшенной стали 45ХНМФА достигаемые остаточные напряжения сто на 10—15% выше, чем на нормализованной.

Следует отметить, что геометрические параметры ро­ ликов и деталей оказывают влияние на остаточные на­ пряжения только в связи с изменением удельного дав­ ления.

Рассмотренные зависимости остаточных напряжений показывают, что при обработке деталей с практически применяемыми усилиями упрочнения az и 0ѳ непрерывно увеличиваются. Только применение чрезмерно высоких удельных давлений может вызвать появление нисходя­ щей ветви в зависимости о0ст от Р.

С изменением числа проходов и подачи меняется кратность приложения усилия, что оказывает некоторое влияние на характер эпюр остаточных напряжений. По данным [200], с ростом числа проходов до k = 3—5 оста-

57

точные напряжения повышаются, при дальнейшем увели­ чении k они несколько снижаются (табл. 10). Однако в работе [99] при k = \ и £=10 не замечено изменения

эпюр остаточных напряжений.

В случае упрочнения цементированной и закаленной стали 20Х2Н4А остаточные напряжения интенсивно уве­ личиваются вплоть до 10 проходов. При k = \ az—

58

= 65 кгс/мм2, а при &=10 сг2= 108 кгсімм2, т. е. напря­ жения увеличиваются примерно в 1,5 раза. Глубина сжа­ того слоя с увеличением k уменьшается [19]. Несмотря на противоречивые данные, остаточные напряжения с увеличением k должны увеличиваться и особенно интен­ сивно для высокопрочных сталей.

Рис. 19. Зависимость максимальных осевых напряжении сжатия от усилия обкатывания сталей с различной исходной структурой: 1 , 4 — сорбит; 2 — гроостит; 3, 5 — мартенсит (/ — сталь 18Х2Н4ВА; II — сталь 45ХНМФА)

С увеличением подачи в пределах «S = 0,3—2,5 мм/об при упрочнении дисковыми роликами незакаленной ста­

= 100, 200 и 350 кгс соответственно для сталей 3, 45 и 40Х) величина осевых остаточных напряжений при уве­ личении подачи от 0,1 до 3 мм снизилась на 70% [94].

59