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

Остаточные напряжения при алмазном выглажива­ нии исследовались в работах [114, 122, 156, 175, 212] при обработке закаленных сталей. Как показали эксперимен­ ты, характерные точки эпюры остаточных напряжений подчиняются тем же зависимостям, что и при упрочне­ нии роликами и шариками. С увеличением усилия выгла­ живания до определенных его значений оо и oz иптенсив-

Рис. 27. Распределение тангенциальных (1—4) и осевых (5—8) оста­ точных напряжений в поверхностном слое закаленной стали 40Х при различных усилиях выглаживания: 1, 5 — Р = 5 кгс-, 2, 6 — 10; 3, У— 15; 4, 8 — Р = 20 кгс

но возрастают (рис. 27). При дальнейшем повышении усилий интенсивность роста замедляется и наблюдается даже некоторое снижение остаточных напряжений. Глу­ бина распространения сжатого слоя не превышает 0,35—0,4 мм. Максимальная величина oz расположена на поверхности, а аѳ— на глубине 0,1—0,12 мм, причем кар­ тина изменения аѳ на поверхности в приведенных данных не совсем ясна. Иная картина формирования остаточных напряжений сгѳ наблюдается при упрочнении внутренней поверхности вала 0 108 мм из стали 1Х12Н2ВМФ (НВ 270—300): при увеличении усилия выглаживания от 10

выглаживании закаленной стали 45 (HRC 42—46) алма­ зом с радиусом / ? С ф = 2,5 мм (5 = 0,08 мм/об-, V —

71

=70 м/мин), существенных изменении в зависимости ez

и0ѳ от усилий не наблюдается (рис. 28, а, б). В отличие от приведенных, данных максимальная величина ітѳ примерно в 1,5 раза выше, и на поверхности детали от­ мечаются остаточные напряжения сжатия в пределах 20—70 кгс/мм2. Соотношение между az и оѳ находится в наших исследованиях в пределах 1,4—1,5, что соответст­ вует результатам работ [104, 200], тогда как в работе

Рис. 28. Эпюры остаточных напряжений, полученные в результате алмазного выглаживания закаленной стали 45 с различными усилия­ ми: / — Р = 20 кгс; 2 — 35; 3 — Р=45 кгс

[175] это соотношение увеличивается до 2,3—2,4. В ра­ боте [156] максимальные значения оѳ находятся в преде­ лах 135—145 кгс/мм2, что намного превышает получен­ ные другими авторами значения тангенциальных остаточных напряжений.

Такое разнообразие значений остаточных напряже­ ний, видимо, связано с методическими трудностями опре­ деления остаточных напряжений в таких тонких упроч­ ненных поверхностных слоях, какие достигаются при алмазном выглаживании. Тем не менее следует подчерк­ нуть, что алмазное выглаживание из известных методов ППД позволяет получить наибольшие по величине оста­ точные напряжения па небольшой глубине от поверхно­ сти детали.

72

Исследования остаточных напряжений при виброобкатывании деталей

Особый интерес вызывает исследование остаточных напряжений, которые образуются в результате примене­ ния сравнительно нового технологического процесса упрочнения деталей машин ППД методом виброобкатываиия, разработанного Ю. Г. Шнейдером [204]. Этот процесс отличается от обычных методов ППД схемой поверхностного пластического деформирования. Помимо радиального давления, деформирующему элементу (ша­ рик, алмазный наконечник) сообщаются возвратно-по­ ступательное и движение подачи вдоль оси изделия. Это позволяет создать регулируемый микрорельеф поверхно­ сти при одновременном ее упрочнении.

Дополнительное возвратно-поступательное движение деформирующего элемента интенсифицирует поверхно­ стную пластическую деформацию. Поэтому и характер остаточных напряжений должен отличаться от напряже­ ний, получаемых при обычных методах ППД. Достоин­ ство виброобкатывания, как и алмазного выглаживания, состоит в том, что упрочнение производится при сравни­ тельно небольших усилиях.

Эпюры остаточных напряжений, полученные в работе [204], по своему виду мало отличаются от рассмотрен­ ных выше. Остаточные напряжения получены при вибро­ обкатывании стали 45 шариком йш = 8 мм (5 = 0,07 мм/об\

С увеличением усилия виброобкатывания остаточные напряжения незначительно увеличиваются, глубина максимальных остаточных напряжений удаляется от по­ верхности до 0,2—0,25 лш, а глубина распространения сжимающих напряжений непрерывно возрастает от 0,4 при Р = 20 кгс до 0,95 мм при Р=60 кгс.

Результаты изучения влияния усилий на остаточные напряжения при виброобкатывании улучшенной стали 45 (HRC 30—35) представлены на рис. 29, а, б. Виброобка­ тывание производилось алмазным наконечником с Р Сф = = 3 M M '(S = 0,62 MMJO6\ Т/—4,5 м/мин-, лдв.х = 1450 \/мин\

73

1 — 3 мм). Микрорельеф поверхности соответствовал III виду с полным пересечением канавок и площадью ка­

навок F x 60%.

Увеличение усилия виброобкатывания с 20 до 60 кге не вызывает существенного роста oz, а оѳ при этом даже снижаются примерно на 10% • Глубина сжатого слоя, как и при обычных методах упрочнения, продолжает увели­ чиваться.

0.20,5

Рис. 29. Эпюры остаточных напряжений оч (а, в) и о ѳ (б, г), полу­

ченные в результате внброобкатывания улучшенной стали 45: а, б — в зависимости от усилия выглаживания (1, 2, 3 — Р=20, 35, 45 кге соответственно); в, г — в зависимости от площади канавок (1 — 7 = = 20%; 2 — 60; 3 — F = 100%)

74

Отличительной особенностью процесса виброобкаты­ вания является то, что остаточные напряжения оо в дан­ ном случае не меньше, чем при гладком обкатывании, а даже больше az. Причем с изменением усилий характер различия видоизменяется.

Такая же зависимость наблюдается и при изучении влияния площади канавок на характеристики остаточных напряжений (рис. 29, в, г). Виброобкатывание произво­

и IV видов микрорельефа (Z7 = 100 %). Результаты пока­ зывают, что наибольшие остаточные напряжения дости­ гаются при III виде микрорельефа (2), когда профиль канавок занимает примерно половину номинальной пло­ щади обрабатываемой поверхности.

Отличия в формировании а0Ст при виброобкатывании объясняются своеобразием схемы деформирования по­ верхностного слоя. Видимо, пластическое течение мате­ риала поверхности в окружном и осевом направлениях либо выравнивается, либо более интенсивное в первом случае. Поэтому сгѳ возрастают -более интенсивно, чем oz (табл. 14), и глубина распространения сжимающих на­ пряжений 0 а примерно па 25% больше.

При увеличении интенсивности ' упрочнения (усилия или площади канавок) остаточные напряжения 0 ѳ пере­ ходят через максимум, а 0 Z увеличиваются. В связи с этим соотношение oz/oe возрастает (табл. 14). Такое яв­ ление можно объяснить тем, что при низкой интенсивно­ сти режимов виброобкатывания деформация распростра­

75

мере увеличения усилия или площади канавок пластиче­ ское течение начинает выравниваться в двух направ­ лениях.

Выявленные закономерности превышения оѳ над az имеют большое практическое значение в случае упрочне­ ния деталей, работающих на кручение. Виброобкатыва­ ние в данном случае должно более эффективно увеличи­ вать усталостную прочность по сравнению с другими методами упрочнения, применение которых наводит оста­ точные напряжения az, намного превышающие О .

Остаточные напряжения, полученные при различных методах упрочнения

В табл. 15 сведены величины остаточных напряжений сжатия и глубина их распространения для различных методов упрочнения образцов и.деталей машин. В табли­ цу включены характерные точки эпюр, отвечающих ма­ ксимальным значениям остаточных напряжений в дан­

сжатия; hamах — глубина залегания максимальных оста­ точных напряжений сжатия; h — глубина распростране­ ния остаточных напряжений сжатия.

Как следует из приведенных данных, наибольшие остаточные напряжения достигаются при алмазном вы­ глаживании (100—180 кгс/мм2). Анализ остаточных на­ пряжений, возникающих в деталях машин при упрочне­ нии различными методами ППД, показывает, что 0 ѳдля незакаленных сталей находятся в пределах 40— 60 кгс/мм2, а для закаленных — 60—100 кгс/мм2 и колеб­ лются сравнительно в наибольших пределах. Пределы колебания аг расширяются до 150—160 кгс/мм2.

На величину и глубину залегания остаточных напря­ жений оказывают влияние структура и свойства обраба­ тываемого материала, метод упрочнения, применяемые режимы. У закаленных образцов (с мартенситной струк­ турой) образуются более высокие напряжения по сравне­ нию с другими структурными состояниями, в особенно­ сти в сталях высокой прочности.

76

1 О механизме формирования

остаточных напряжений

Процесс обработки деталей ППД сопровождается различными явлениями, в той или иной степени взаимо­ связанными: упругими и пластическими деформациями, тепловыми явлениями, трением, изменением пластиче­ ских и прочностных свойств материала. Важнейшую роль в образовании остаточных напряжений играет пластиче­ ская деформация, от степени, интенсивности и направле­ ния которой зависят величина, характер и глубина рас­

слоя с образованием равномерного валика вокруг лунки. При вдавливании шара в цилиндр лунка имеет эллип­ тическую форму с неравномерным валиком вокруг нее. Такая картина наблюдается при упруго-пластической и пластической деформациях после снятия нагрузки.

При ППД с большими допущениями можно предпо­ ложить, что в определенный момент времени в случае представления остановившегося деформирующего эле­ мента также будет круговая или эллипсная канавка в зависимости от того, деформируется плоскость или ци­ линдр. Безусловно, упруго-пластическое внедрение и вол­ на вокруг деформирующего элемента далеко не равно­ мерны. Но в общем случае, естественно, волна распро­ страняется по кругу. В направлении главного движения и движения подачи она несколько больше, чем в проти­ воположных направлениях. Степень пластической дефор­ мации в том или ином направлении зависит от пластич­ ности и прочности материала, схемы деформирования, жесткости детали в окружном и осевом направлениях, формы и размеров соприкасающихся тел.

Как следует из работы [119], деформация расшире­ ния элемента металла под действием силового поля при

шлифовании в тангенциальном направлении меньше, чем в осевом.

Плотность материала при пластической деформации уменьшается. В связи с этим уменьшение диаметра дета­ ли при ППД не является следствием радиального вдав­ ливания составляющих структуры или их существенного

77

Т а б л и ц а 15

Остаточные напряжения и глубина их распространения при различных методах упрочнения

Обкатывание:

роликом

(О