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

Т а б л и ц а 10

Таблица 11

Изменение остаточных напряжений при различной подаче

Для практически применяемых величин подач 5 <0,5 мм Oz уменьшаются в пределах 15—25%.

Изменение скорости упрочнения в пределах 4— 190 м/мин практически не привело к изменению остаточ­ ных напряжений (табл. 12). Это объясняется тем, что фактор повышения предела текучести за счет увеличения скорости деформирования ^ .компенсировался нагревом металла при повышенных скоростях [200]. По данным других авторов [104], изменение скорости в пределах

60

Т а б л и ц а 12

Остаточные напряжения в образцах, обкатанных с различной скоростью (ЯПр=12лш; S = 0 ,3 мм]об\ k = l\ Р=1800кас)

17—120 м/мин вызывает снижение az примерно в два раза.

Исследования остаточных напряжений при упрочнении шариковыми обкатками

Исследования остаточных напряжений при упрочне­ нии незакаленной стали 45 шариками 0 19 и 24 мм, про­ веденные в работе [200], показали, что величины аг и вв существенно не отличаются от напряжений, полученных при упрочнении роликами (см. табл. 9). Однако в пер­ вом случае для получения равных остаточных напряже­ ний усилия упрочнения в 1,5—2 раза ниже, причем с уве­ личением усилий az и оѳ непрерывно возрастают.

В случае упрочнения стали 45 3-шариковой обкаткой (dui = 10 мм; 5 = 0,06 мм/об) максимальное значение сгѳ увеличивается от 28 до 36 кгс/мм2 с повышением удель­ ного давления обкатки от 25 до 50 кгс/мм2. В случае приложения удельного давления 180 кгс/мм2 ое снижает­ ся на 25%. Глубина распространения остаточных напря­ жений сжатия при этом непрерывно увеличивается от 0,9

ваниях * при усилиях, обеспечивающих оптимальную ше­ роховатость поверхности [5], максимальная величина оѳ примерно равна предыдущим результатам (рис. 20). Тем не менее при Р^=45 кгс на один шарик рост ов и az прекращается и при дальнейшем увеличении усилия не

* Исследования выполнены совместно с инженером В. А. Андрияшиным.

61

обнаружено снижения величины остаточных напряжений. Общая глубина сжатого слоя достигает Іі —1—1,1 мм, а глубина залегания максимальных значений ог и ве почти не зависит от усилий и находится в пределах 0,15— 0,17 мм.

Результаты исследования влияния усилия обкатыва­ ния на величину и характер распределения оѳ и стг при упрочнении одношариковой обкаткой (din = 20 мм; Ѵ= —60 м/мин; S = 0,2 мм/об) приведены на-рис. 21. С уве-

Рис. 20. Эпюры тангенциальных (а) и осевых (б) остаточных напря­ жений в образцах, упрочненных шестишариковой обкаткой при раз­ личных усилиях (5 = 0,15 мм,'об, п = 630 об/мин): 1 — Р=15 кгс; 2 — 3 0 ; 3 — 45; 4 — 60; 5 — Я= 75 кгс

Рис. 21. Эпюры тангенциальных (а) и осевых (б) остаточных на­

/ _ Р = 20 кгс; 2 — 60; 5 — 140; 4 — Р = Ш кгс

62

личением усилия в пределах 20—180 кгс величина а0 воз­ росла с 18 до 36 кгс/мм2, а а2 с 17 до 57 кгс/мм2. Глубина распространения остаточных напряжений, примерно рав­ ная для а2 и аѳ, непрерывно возрастает с 0,5 до 1,5 мм.

Сравнение эпюр для двух методов обработки показы­ вает, что высокие значения а2 и сѳ в первом случае до­ стигаются при значительно меньших усилиях. Это сле­ дует учитывать при разработке технологических процес­ сов упрочнения маложестких и тонкостенных деталей. Как следует из приведенных данных, oz в 1,5—1,7 раза выше оѳ. Это объясняется более интенсивной пластиче­ ской деформацией вдоль оси, чем в окружном направле­ нии [119]. С увеличением интенсивности пластической деформации вдоль оси возрастают также подповерхно­ стные упругие деформации и как следствие этого увели­ чиваются осевые остаточные напряжения сжатия. Ис­ пользование шарика меньшего размера (dm = 9,5 мм) не оказывает заметного влияния на стѳ, однако величина а2 возрастает примерно в 1,5 раза (рис. 22). С уменьшением размера шарика глубина распространения остаточных напряжений сжатия снижается.

Построение зависимостей максимальных остаточных напряжений от усилия показало, что предел насыщения достигается только для незакаленных трубчатых образ­ цов при усилии Р = 80—90 кгс (рис. 23, а, б, в, г). При упрочнении улучшенных трубчатых и незакаленных цель­ ных образцов в исследуемом диапазоне усилий макси­ мальные остаточные напряжения сжатия аѳ и oz непре­ рывно увеличиваются. Однако интенсивность роста при упрочнении с усилиями Р>100 кгс резко снижается.

Следует отметить, что особенно интенсивный рост остаточных напряжений наблюдается при упрочнении не­ закаленной стали с усилиями до 30—40 кгс. В этом слу­ чае значения аѳ и а2 достигают 80—90% максимальных остаточных напряжений. Для улучшенной стали этот предел смещается в сторону больших усилий. Величины аѳ и а2 несколько больше в полых образцах, чем в цель­ ных, в то время как глубина распространения остаточ­ ных напряжений сжатия, наоборот, в последнем случае в 1,5—2 раза выше. Это можно объяснить различной жест­ костью образцов и несколько отличным характером пла­ стической деформации. Полученные зависимости оста­ точных напряжений в полых и цельных образцах согла-

63

суются с данными работы [201], полученными при упроч­ нении образцов дисковыми роликами. Следовательно, механизм формирования остаточных напряжений в по­ лых и цельных деталях различен в связи с изменением их упругих свойств.

Рис. 22. Эпюры тангенциальных (а) и осевых" (б) остаточных напря­ жений в образцах, упрочненных одношарнковон (шарик 0 9,5 мм) обкаткой при различных усилиях (S = 0,08 мм/об\ п = 355 об/мин):

1 — Р = 20 кге; 2 — 60; 3 — 140; 4 — Р = 180 кге

64

Проведенный анализ остаточных напряжений, возни­ кающих в деталях машин при упрочнении шариковыми инструментами, показал, что максимальные осевые оста­ точные напряжения для незакаленной стали могут достигать 80—90 кгс/мм2, а для улучшенной — 100 — 120 кгс/мм2. Тангенциальные остаточные напряжения на­ ходятся в пределах 40—45 кгс/мм2 и 50—55 кгс/мм2

Рис. 23. Зависимость максимальных остаточных напряжений сжатия Gz и сГдИ глубины распространения сжимающих напряжений от уси­

лия упрочнения одношариковой обкаткой (dm —9,5 мм; S=0,08 мм/об; п = 355 об/мин): 1, 2 — незакаленные полые образцы; 3 — незакален­ ные сплошные образцы; 4 — улучшенные полые образцы (/, 3, 4 — шарик вращается; 2 — шарик заторможен)

соответственно для незакаленной и улучшенной стали. При упрочнении цементированных и закаленных до твер­ дости HRC 58—62 сталей 14Х2НЗМА, 20ХНЗА, ШХ15 шариками 0 5— 10 мм максимальные тангенциальные напряжения возрастают до 60—80 кгс/мм2 [135]. При­ чем с увеличением удельных давлений при обкатывании аѳ увеличиваются. Таким образом, с увеличением проч-

пости стали достигаемые величины остаточных напряже­ ний при упрочнении увеличиваются. При этом остаточ­ ные напряжения зависят от структуры, механических свойств материала, количества остаточного аустенита, фазовых выделений в процессе упрочнения и других осо­ бенностей структуры и свойств упрочняемого материала.

Исследования влияния числа проходов на остаточные напряжения при упрочнении одношариковой обкаткой выполнены на улучшенной стали 45 (HRC 28—32) с по-

упрочнения, близкая к максимальной, достигается при первых проходах. Однако последующие проходы оказы­ вают противоположное действие на осевые и тангенци­ альные сжимающие напряжения. Первые увеличиваются при достижении пяти проходов на 30%, а вторые, наобо­ рот, уменьшаются на 15% (рис. 24). По нашему мнению, объяснение такой зависимости аг и аѳ от числа проходов следует искать в различии пластической деформации в осевом и окружном направлениях. В окружном направ­ лении пластическое течение металла сильно затруднено. Поэтому при определенных усилиях пластическая дефор­ мация заканчивается за один проход, а по мере увеличе­ ния числа проходов при тех же усилиях продолжается частичная пластическая деформация вдоль оси. Удлине­ ние структурных составляющих поверхности вдоль оси вызывает дополнительные подповерхностные упругие деформаций, в результате чего az возрастают. При этом упругие деформации, действующие в окружном направ­ лении, очевидно, релаксируются на небольшую величину

66

и снижаются напряжения а%. Дальнейшее увеличение количества проходов, видимо, будет вызывать снижение остаточных напряжений подобно зависимости, получен­ ной в работе [200], где величины аг и об при Р = 900 кгс переходят через максимум, но при Р=1300 кгс сг изме­ няются по тому же закону, а аѳ непрерывно уменьшаются (см .табл.10).

Увеличение кратности приложения усилия при упроч­ нении способствует увеличению глубины сжатого слоя

Т а б л и ца 13

Максимальные тангенциальные остаточные напряжения при изменении подачи

опри различных подачах, мм/об

(рис. 24). Эти данные не совпадают с результатами ра­ боты [200], в которой зависимость глубины сжатого слоя переходит через минимум при трех проходах и в даль­ нейшем уменьшается. По нашему мнению, эти данные не отвечают действительной зависимости, поскольку в при­ веденных в настоящем параграфе данных не обнаружено уменьшения глубины сжатого слоя по мере увеличения интенсивности упрочнения.

Следует отметить, что в указанной работе глубина сжатого слоя при незначительных изменениях состав­ ляющих режимов упрочнения роликами может изменять­ ся в пределах 1,5—2,5 раза (см. табл. 9, 10, 11). В наших исследованиях и работах других авторов [13, '51, 104, 135, 175] с увеличением интенсивности нагружения глу­ бина упрочнения непрерывно возрастает.

Степень влияния подачи при обкатывании шариком целиком и полностью предопределяется величиной усилия и пятна контакта. При обработке с режимами, обеспечи­ вающими оптимальную шероховатость поверхности, влияние подачи на остаточные напряжения мало замет­ но. Чрезмерное увеличение подачи, как и при обкатыва­ нии роликами [21], в условиях невысоких удельных дав­ лений может привести к уменьшению остаточных напря­

жений в три раза. В табл. 13 приведены изменения максимальных остаточных напряжений в стали 45 при обкатывании шариком 10 мм [135].

Увеличение подачи в указанных пределах при Р — = 200 кгс вызывает снижение Оѳ на 25%, в то время как при Р = 50 кгс оѳ уменьшаются уже на 66%. Такой ха­ рактер зависимости оѳ от подачи связан с величиной

Рис. 25. Зависимость максимальных остаточных напряжений сжатия Gz 0 ) и сГд (2) и глубины распространения сжимающих напряжений

от подачи (3, 4 — глубина распространения оѳ и Gz соответственно)

пятна контакта и удельным давлением. С изменением этих параметров наблюдается различная чувствитель­ ность остаточных напряжений к изменению подачи.

В наших экспериментах при упрочнении шариком 0 9,5 мм с усилием Р=150 кгс изменение подачи в пре­ делах 0,08—0,52 мм!об вызывает уменьшение максималь­ ных остаточных напряжений oz и оѳ на незначительные величины. Глубина сжатого слоя при этом уменьшается до 20%' (рис. 25). Таким образом, нами показано, что те изменения подачи, которые не вызывают чрезмерного увеличения шероховатости поверхности, не могут при­ вести к существенному изменению характера напряжен­ ности поверхности.

Остаточные напряжения при упрочнении многороликовой планетарной обкаткой

При упрочнении многороликовой обкаткой, имеющей конические ролики (0 10 мм, РПр=1,5 мм), характер

68

образования остаточных напряжений существенно отли­ чается от приведенных выше зависимостей для шарико­ вых и роликовых инструментов. Остаточные напряжения определялись в зависимости от изменения величины на­ тяга между обрабатываемой деталью и деформирующи­ ми роликами в пределах і = 0,04—0,272 мм, что соответст­ вует радиальным усилиям 40—1250 кгс на один ролик [61]. Максимальная величина натяга предопределялась

6,кгс/мм2

Рис. 26. Зависимость максимальных остаточных напряжений сжатия 02 (/, 2) и 0 g (3, 4) (а) и глубины распространения сжимающих на­

пряжений (б) от натяга при упрочнении многороликовой обкаткой полых (1, 4) и цельных (2, 3) образцов (б— глубина в цельных (/)

и полых образцах (2))

возможностью обработки образцов без нарушения сплошности материала. При увеличении натяга свыше 0,27 и 0,21 мм соответственно для полых и цельных об­ разцов наблюдалось шелушение материала и даже за­

деформации поверхностного слоя.

Приведенные на рис. 26, а зависимости остаточных напряжений от натяга і показывают, что максимальные величины az и 0 ѳ в полых образцах с увеличением усилия резко уменьшаются: первые с 60 до 21 кгс/мм2, а вторые с 39 до 8 кгс/мм2. При этом глубина распространения остаточных напряжений сжатия достигает максимально­

69