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

удлинения в окружном направлении, поскольку сама длина окружности уменьшается. Пластическая деформа­ ция составляющих структуры происходит по следующей схеме — снижение толщины в радиальном направлении, незначительное увеличение ширины в окружном и уве­ личение длины в осевом направлении. Удлинение поверх­ ностного слоя в осевом направлении вызывает упругое удлинение всего сечения детали. При этом на ее торце возникает наплыв металла.

Такое представление о процессе пластического тече­ ния металла при поверхностном деформировании позво­ ляет объяснить формированію осевых, окружных и радиальных остаточных напряжений. Осевые и окруж­ ные остаточные напряжения, как правило, сжимающие, а радиальные — растягивающие (с положительным зна­ ком). Поскольку интенсивность пластической деформа­ ции вдоль оси наибольшая, то, следовательно, и подпо­ верхностные упругие деформации в данном случае са­ мые большие. Поэтому в практике упрочнения детален машин ППД Ох, как правило, превышают Оѳ в 1,5— 3 раза.

Следует отметить, что максимальные окружные оста­ точные напряжения сжатия для большинства процессов упрочнения (см.табл. 15) при исследовании на различ­ ных сталях с твердостью (HRC 20—62) изменяются в пределах 40—80 кгс/мм2. Естественно, их величина в не­ которой степени зависит от пластичности и прочности материала. Тем не менее в окружном направлении сте­ пень пластической деформации зерен, видимо, должна быть строго определенная, выше которой зерна не могут быть продеформированы.

Дальнейшее увеличение усилий вызывает интенсивное течение металла вдоль оси. Поэтому осевые напряжения могут иметь очень широкие пределы колебаний (40— 160 кгс/мм2). Их величина во многом зависит от осевой жесткости обрабатываемых деталей. Так, во многих ис­ следованиях замечено влияние на ог диаметра, длины детали, соотношения наружного и внутреннего диамет­ ров для полых деталей и других факторов, предопреде­ ляющих осевую жесткость деталей.

Следует отметить, что большие пределы изменения ог вызывают также колебания аѳ, поскольку последние рас­ считываются с учетом величины ог.

82

Анализ табл. 15 и эпюр остаточных напряжений по­ казывает, что в приведенных данных максимальная ве­ личина остаточных напряжений располагается в боль­ шинстве случаев неда поверхности, а на некотором уда­ лении от нее. Прд.этом оѳ расположены в глубине более чем if 90% выполняемых исследовании, a ц2— примерно в 50%. По этим данным можно предположить, что такая форма эпюры окружных остаточных напряжений явля­ ется закономерной, а эпюра осевых остаточных напря­ жений, видимо, может быть двух видов.

По вопросу спада величины остаточных напряжений сжатия к поверхности существует несколько мнений.

М. М. Кобрин [71] объясняет наличие спада схемой поверхностного пластического деформирования. При кон­ тактной схеме деформирования, когда максимальные касательные напряжения находятся на некоторой глуби­ не от поверхности, значения сжимающих напряжений к поверхности должны уменьшаться. Применение контакт­ но-сдвиговой схемы, при которой в поверхностном де­ формировании участвует радиальная и сдвигающая си­ лы, вызывает уменьшение глубины залегания максималь­ ных остаточных напряжений и уменьшение спада напря­ жений на поверхности.

Однако, согласно работе [71], трудно объяснить ча-

.стое отсутствие спада oz при его наличии у сгѳ. Кроме того, наличие спада наблюдается при упрочнении дета­ лей заторможенным шариком, твердосплавным и алмаз­

ситься с возможностью преобразования контактной схемы деформирования в контактно-сдвиговую при центро­ бежно-шариковом упрочнении [71]. Например, проведен­ ными в работе [4] исследованиями остаточных напря­ жений при центробежно-шариковом упрочнении в широком диапазоне изменения режимов не обнаружено отсутствия спада по крайней мере для тангенциальных остаточных напряжений.

Изменение схемы поверхностного деформирования, безусловно, должно привести к изменению вида эпюры остаточных напряжений. Однако в существующих мето­ дах упрочнения деталей ППД, видимо, реализуется только контактная схема деформирования.

В работах [104, 134] уменьшение сжимающих оста­ точных напряжений к поверхности объясняется влия­ нием нагрева тонкого поверхностного слоя. Неравномер­ ность распределения температуры в поверхностном слое вызывает появление остаточных тепловых напряжений, противоположных по знаку напряжениям от ППД. В ре­ зультате суммирования этих напряжений в зависимости от соотношения величин и градиентов напряжений ма­ ксимальное их значение может быть на поверхности или на некотором расстоянии от нее.

Не отрицая влияния температуры на характер эпюры остаточных напряжений, следует, однако, заметить, что указанной теорией невозможно объяснить спад остаточ­ ных напряжений при низких усилиях обкатывания или алмазного выглаживания. Температура в данном случае незначительна, и тем не менее наблюдается спад оста­ точных напряжений, чаще всего аѳ [175]. Кроме того, поскольку температура распространяется равномерно во всех направлениях, то и ее влияние на оѳ и oz должно быть одинаковым. Однако в практике чаще наблюдается спад аѳ, чем oz.

Следовательно, основываясь на выдвинутых теориях, невозможно объяснить многие случаи образования спада остаточных напряжений. И поэтому объяснение возник­ новения такого спада напряжений, по нашему мнению, следует искать в характере пластической деформации.

Как отмечалось ранее, при внедрении деформирующе­ го элемента в обрабатываемый материал при ППД обра­ зуется эллипсное пятно контакта с неравномерной по периметру упруго-пластической волной. Форма пятна контакта зависит от геометрии деформирующего элемен­ та и детали, физико-механических свойств материалов, из которых они изготовлены, и режимов упрочнения. На рис. 30, а показана схема деформирования цилиндра шариком в осевом, а на рис. 30, в — в окружном направ­ лениях.

Из рисунка видно, что окончательное формирование упрочненной поверхности производит упруго-пластиче­ ская волна со стороны обработанной поверхности. В этом же направлении деформируется часть материала преды­ дущего восстановленного отпечатка, обозначенная циф­ рой 2 на рис. 30, б, по длине равная величине подачи. Восстановление отпечатка шара, внедренного в обраба­

84

тываемый материал, происходит не совсем упруго, а с некоторой пластической деформацией. Это явление на­ блюдалось в работе [112], где замечено, что величина восстановления намного превышает расчетные значения суммы упругих деформаций шара и отпечатка.

Деформирование материала в направлении обрабо­ танной поверхности наблюдалось в работах [111, 133] при упрочнении деталей шариками и роликами. Без-

Рис. 30. Схемы поверхностного пластического деформирования в осе­ вом направлении (а, б) и в окружном (в)

условно, дальнейшее деформирование составляющих структуры металла не достигается при данном уровне удельных давлений. Под воздействием этого давления и упруго-пластического восстановления составляющие структуры стремятся к восстановлению своей формы до деформации, в особенности на поверхности, как это изображено на рис. 30. В результате этой деформации в тонком поверхностном слое происходит частичное снятие и перераспределение остаточных напряжений. По наше­ му мнению, это является одной из главных причин воз­ никновения спада остаточных напряжений.

Интенсивность деформации в сторону рбработанной поверхности различна .в осевом и окружном направле­ ниях. При достижении определенной степени деформа­ ции замкнутой окружности дальнейшее повышение удельного давления вызывает пластическое течение со­ ставляющих структуры в осевом направлении. Поэтому оѳ в большинстве случаев имеют спад к поверхности. Этому способствует также то обстоятельство, что для

85

большинства методов упрочнения, в особенности с при­ менением сферических деформирующих элементов, вели­ чина пятна контакта в окружном направлении меньше, чем в осевом, и сопротивление упруго-пластическому вос­ становлению снижается.

Степень осевой деформации с увеличением усилия не­ прерывно повышается. Остаточные напряжения при те­ чении поверхностного слоя частично снимаются, перерас­ пределяются и наводятся новые. Поэтому в зависимости от жесткости детали и возможности ее упруго-пластиче­ ского удлинения эпюры могут быть со спадом остаточ­ ных напряжений к поверхности и без него. Исходя из этого, можно объяснить возникновение спада осевых на­ пряжений при упрочнении деталей большой длины [19, 21, 181] или большого диаметра [200, 201], т. е. на дета­ лях высокой жесткости. В других случаях независимо от применяемого процесса упрочнения может быть этот или иной вид эпюры [151].

При упрочнении коротких деталей характер эпюр остаточных напряжений частично будет зависеть от силы зажима в центрах или на оправке и от осевой податли­ вости механизмов зажима. При упрочнении деталей раз­ виваются громадные осевые силы, вызывающие короб­ ление деталей. Иногда могут даже происходить разру­ шения приспособлений для упрочнения деталей. Так, при упрочнении дробью набора колец 0 40 X 30X10 мм, насаженных на оправку, под воздействием осевых напря­ жений была разрушена резьба М24 на оправке.

Величина остаточных напряжений на поверхности при наличии спада изменяется в широких пределах: от + 20—40 кге/мм2 до —100—140 кге/мм2. При этом четкой зависимости этой величины от усилия не обнаружено. Самые высокие спады наблюдаются чаще Нсего при са­ мых малых усилиях упрочнения. Дальнейшее увеличение усилий приводит к уменьшению разности между макси­ мальными и поверхностными напряжениями.

Установить четкую картину изменения остаточных напряжений на поверхности пока не удается, видимо, из-за неточностей измерения деформации при снятии слоев с поверхности. Как правило, с поверхности снима­ ются очень тонкие слои (0,01—0,05 мм). При этом дефор­ мации могут быть менее 0,001 мм и погрешности изме­ рения равны самой измеряемой величине. Ошибка изме­

8G

Г л а в а III

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Современные машины и конструкции работают в условиях высоких скоростей и высокочастотного цикли­ ческого нагружения. Их надежность и долговечность в значительной мере определяются усталостной прочно­ стью ответственных деталей.

Явления усталостного характера наблюдаются глав­ ным образом в поверхностных слоях (возникновение дислокаций; сдвиги внутри структурных составляющих материала детали; возникновение остаточных напряже­ ний и др.). Помимо этого, сама поверхность в той или иной мере подвержена окислению в зависимости от сре­ ды, в которой она работает, а при работе в контакте с другой деталью поверхность изнашивается и на ней об­ разуется фреттинг-коррозия.

В процессе эксплуатации деталей машин поверхност­ ные слои испытывают наибольшие напряжения незави­ симо от характера рабочих нагрузок (изгиб, кручение, растяжение, сжатие и др.). К этому следует добавить, что поверхность деталей сильно ослаблена рисками, вырывами, структурными концентраторами, шлифовочны­ ми трещинами, забоинами, неоднородной шероховато­ стью, появляющимися при изготовлении и эксплуатации деталей. Все эти обстоятельства приводят к тому, что усталостные трещины в подавляющем большинстве слу­ чаев возникают на поверхности.

Наиболее важные эксплуатационные свойства во мно­ гом зависят от качества поверхности деталей, предопре­ деляемого совокупностью таких характеристик, как шеро­ ховатость, макро- и микроструктура, физико-механиче­ ские свойства материала, остаточные напряжения.

88

Таким образом, качество поверхностного слоя сильно отличается от сердцевины. Поэтому для увеличения дол­ говечности деталей в машиностроении, помимо конструк­ тивных мероприятий, повсеместно применяются методы поверхностного упрочнения.

В машиностроении широко применяются различные методы поверхностного упрочнения (химико-термиче­ ские, поверхностное легирование, механическое и др.). Каждый из них имеет свои особенности и рациональную область применения.

Упрочнение деталей машин ІІПД является одним из наиболее простых и высокоэффективных методов повы­ шения усталостной прочности и долговечности деталей машин. Обработка деталей ППД преследует две цели.

зико-механических свойств поверхностного слоя.

Первые работы по исследованию и внедрению упроч­ нения деталей машин ППД были проведены под руко­ водством И. В. Кудрявцева применительно к деталям с относительно невысокой твердостью [89, 102]. Дальней­ шие исследования показали, что с увеличением твердости эффективность поверхностного упрочнения повышается [13, 135]. Поверхностное упрочнение может быть с успе­ хом применено для повышения усталостной прочности азотированных и цементированных сталей [13].

В результате упрочнения ППД повышается усталост­ ная прочность деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, чугуна и цветных сплавов и дру­ гих материалов. Эффективность упрочнения обнаружена па деталях и образцах с широким диапазоном изменения размеров ( 0 5—500 мм и более).

Усталостная прочность увеличивается при упрочнении гладких, ступенчатых деталей с надрезами, с открытыми поверхностями и с напрессованными втулками при. ра­ боте на воздухе, в коррозионной среде в условиях нор­ мальных, повышенных и пониженных температур. При этом эффективность возрастает с увеличением концен­ трации напряжений. Так, усталостная прочность гладких образцов на воздухе может быть повышена на 10—30%, тогда как в коррозионной среде увеличение может быть в 3—4 раза, а в зонах концентрации напряжений — в 1,5—2 раза.

89

1. ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ И РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Влияние параметров режима упрочнения шариком на усталостную прочность наиболее полно изучено в ра­ боте [43]. Эксперименты проведены па гладких образ­

ливости особенно заметно при небольших усилиях упроч­ нения. Так, при Р = 50 кгс а_і увеличивается с 29 до

Р= 50 кгс (общин режим упрочнения: Р=180 кгс; 5 = 0,06 мм/об; У= = 30 м/мин-, k —])

90

37 кгс/мм2, т. е. на 27%, тогда как с увеличением усилия в четыре раза эффективность упрочнения дополнительно повышается уже только на 18%. Дальнейшее резкое снижение предела выносливости с увеличением усилия (рис. 31, а), по нашему мнению, связано с неточностями эксперимента. Последующие исследования [21, 123, 172] показали, что даже при более высоких удельных давле­ ниях усталостная прочность либо продолжает увеличи­ ваться, либо остается примерно на одном уровне.

В случае упрочнения роликами высокопрочных сталей ЗОХГСА (ов = 120 кгс/мм2) и ЗОХГСМА (а„ = 170 кгс/мм2) не обнаружено снижение предела выносливости в зави­ симости от усилия обкатывания. Обкатывание образцов 0 10 мм производилось трехроликовым приспособлением

в диапазоне усилий 100—500 кгс непрерывно увеличи­ вается. Тем не менее высокие пределы выносливости получены уже при усилиях Д<200 кгс [123]. Предел вы­ носливости для сталей ЗОХГСА и ЗОХГСМА составляет соответственно 42 и 53 кгс/мм2, а при упрочнении с уси­ лиями Р —100 и 200 кгс он повышен до 56 и 71,5 кгс/мм2, т. е. на 26 и 37 %■ Дальнейшее увеличение усилия в 3—4 раза позволило получить прирост а_і на 4—10%.

Повышение усталостной прочности в результате упрочнения авторы работы [43] объясняют наведением в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Для подтверждения этого были испытаны сплошные и полые образцы с толщиной стенки 1 жж. Упрочнение проведено

по сравнению с неупрочненными сплошными. Сплошные образцы показали 0_і=42 кгс/мм2, что на 45% превы­ шает о-і неупрочненных образцов. Эксперименты пока­ зали, что в случае упрочнения полых образцов остаточ­ ные напряжения снимаются в связи с полной деформа­ цией его сечения. Повышение усталостной прочности в данном случае относят за счет наклепа.

Анализ зависимостей о - 1 от подачи и числа проходов показывает, что в том случае, когда изменение парамет­ ров режима приводит к увеличению градиента остаточ-

91