CC BY
32
Оригинальная статья / Original article УДК 621.787.4
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-1 -28-40
Сравнение качества поверхностного слоя и эксплуатационных характеристик деталей, упрочненных разными способами поверхностного пластического деформирования
© С.А. Зайдес, Нгуен Ван Хинь, Фам Ван Ань
Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Российская Федерация
Резюме: Сравнение качества поверхностного слоя образцов, обработанных новыми способами упрочнения с традиционной обкаткой роликом. Результаты работы получены на основе выполнения экспериментальных исследований. Экспериментальными исследованиями установлено, что качество поверхностного слоя, полученного при осциллирующем выглаживании, выше, чем при обкатке роликом, но ниже, чем при поперечной обкатке плоскими плитами. Шероховатость, полученная при осциллирующем выглаживании, меньше, чем при обкатке роликом, но больше, чем при поперечной обкатке плоскими плитами. Изменение размеров зерен происходит только в поверхностном слое, центральная область практически не претерпевает пластических деформаций, и зерна не изменяют своих размеров. Область значительного искажения зерен распространяется на глубину 0,1-0,2 мм при поперечной обкатке плоскими плитами и осциллирующем выглаживании, и на 0,1 мм - при обкатывании роликом. Микротвердость и твердость, полученная при осциллирующем выглаживании больше, чем при обкатке роликом, но меньше, чем при поперечной обкатке плоскими плитами. Наименьшее отклонение от круглости цилиндрических деталей получено при поперечной обкатке плоскими плитами (2,9 раза), а при обкатке роликом (2,1 раза). Максимальное осевое остаточное напряжение получено при осциллирующем выглаживании, далее при обкатывании роликом и поперечной обкатке плоскими плитами (в 1,8 раза). Однако наибольшее тангенциальное напряжение формируется при поперечной обкатке плоскими плитами, а минимальное - при осциллирующем выглаживании (в 1,3 раза). Износостойкость упрочненных образцов в несколько раз выше износостойкости образцов без упрочнения. Максимальная износостойкость наблюдается у деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами, а минимальная - у деталей, упрочненных обкатыванием роликом.
Ключевые слова: осциллирующее выглаживание, шероховатость, микротвердость, микроструктура, остаточное напряжение, осцилляция рабочего инструмента
Информация о статье: Дата поступления 14 декабря 2018 г.; дата принятия к печати 16 января 2019 г.; дата онлайн-размещения 28 февраля 2019 г.
Для цитирования: Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь, Фам Ван Ань. Сравнение качества поверхностного слоя и эксплуатационных характеристик деталей, упрочненных разными способами поверхностного пластического деформирования. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(1):28-40. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-1 -28-40.
Comparison of surface layer quality and performance characteristics of parts reinforced by various methods of surface plastic deformation
Semen A. Zaides, Nguyen Van Hinh, Pham Van Anh
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russian Federation
Abstract: The purpose of this work is comparison of the surface layer quality of samples treated by new hardening methods and by traditional rolling with a roller. The obtained results of the work are based on experimental studies where it was found out that the quality of the surface layer obtained by oscillating burnishing is higher than the one obtained by rolling but lower than the one obtained by transverse rolling with flat plates. Grain sizes change only in the surface layer, the central region practically is not subjected to plastic deformations and the grains do not change their sizes. The area of significant grain distortion extends to the depth of 0.1-0.2 mm with transverse rolling with flat plates and oscillating burnishing and to 0.1 mm under rolling with a roller. The microhardness and hardness obtained under oscillating burnishing is more than under rolling with a roller, but less than under transverse rolling with flat plates. The smallest deviation from roundness of cylindrical parts was obtained under transverse rolling with flat plates (2.9 times), and under rolling with a roller it is 2.1 times. The maximum axial residual stress is obtained under oscillating burnishing, then under rolling with a roller and transverse rolling with flat plates (1.8 times). However, the greatest tangential stress is formed under transverse
0
rolling with flat plates, and the minimum stress under oscillating burnishing (1.3 times). Wear resistance of hardened samples is several times higher than the wear resistance of samples without hardening. The maximum wear resistance is characteristic of the parts reinforced by transverse rolling with flat plates, and the minimum wear resistance - of parts reinforced by rolling with a roller.
Keywords: oscillating burnishing, roughness, microhardness, microstructure, residual stress, working tool oscillation Information about the article: Received December 14, 2018; accepted for publication January 16, 2019; available online February 28, 2019.
For citation: Zaides S.A., Nguyen Van Hinh, Pham Van Anh. Comparison of surface layer quality and performance characteristics of parts reinforced by various methods of surface plastic deformation. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(1 ):28-40. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-1 -28-40.
Введение
Поверхностное пластическое деформирование (ППД) является одним из наиболее простых и эффективных методов отде-лочно-упрочняющей обработки деталей машин. Упрочнение ППД приводит к повышению поверхностной твердости, образованию в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия и благоприятному изменению микрогеометрии поверхности. В результате, в зависимости от функционального назначения и условий эксплуатации деталей, повышается их усталостная и контактная прочность, износостойкость и сопротивление коррозии, гидроплотность и маслоудерживающая способность [1-8].
В настоящее время разработано и внедрено в производство достаточно большое разнообразнее методов поверхностного пластического деформирования [9-10]. Это обкатка шариком, роликом, алмазным выглаживателем, вибрационная, ультразвуковая и ударная обработка и многие другие процессы.
Благодаря технической и технологической простоте на производстве широко используют отделочно-упрочняющую обработку обкаткой роликом [3, 5]. Однако в ряде случаев, например, при упрочнении маложестких деталей типа валов, возможности такого способа весьма ограничены. При приемлемой производительности не удастся получить детали со стабильными показателями качества обработанной поверхности.
В отличии от традиционных схем обработки [9-11] в настоящее время разработаны процессы ППД, основанные на новой
кинематике деформирующего инструмента. Так, в работах [7], предложено изменить ось вращения цилиндрического ролика, которая проходит через центр диаметральной плоскости. Новая кинематика движения рабочего инструмента позволяет изменить напряженное состояние в очаге деформации и повысить степень упрочнения.
Известны работы по упрочнению цилиндрических деталей осциллирующим выглаживанием [12]. Рабочий инструмент в виде пластины с радиусным скруглением совершает осциллирующее движение не вдоль оси детали, а перпендикулярно ей. Такой способ позволяет выполнять не только отделочно-упрочняющую обработку, но и формировать регулярный микрорельеф на поверхности детали [13].
Достаточно высокое качество поверхностного слоя получается при упрочнении деталей поперечной обкаткой плоскими плитами [14]. Высокая производительность технологического процесса и высокое качество поверхностного слоя должны привлечь внимание инженеров и технологов на производстве.
Целью данной работы является сравнение качества поверхностно слоя новых способов упрочнения с традиционной обкаткой роликом.
Качество упрочняющей обработки оценено по результатам измерения шероховатости, твердости, остаточных напряжений, отклонения от круглости, размеров зерен, микроструктуры и микротвердости по глубине упроченного слоя.
Ш
Схемы процессов
Для сопоставления качества поверхностного слоя упрочненных деталей было исследовано три способа ППД: обкатывание роликом, поперечная обкатка плоскими плитами и осциллирующее выглаживание. Образцы для исследования были упрочнены разными способами, но с одинаковой величиной радиального натяга.
На рис. 1 показаны три схемы поверхностного пластического деформирования.
В процессе обкатывания локальным индентором (роликом) заготовка вращается (Пз), а ролик, находящийся в контакте с обрабатываемой поверхностью, вместе с обкатным приспособлением совершает про-
дольную подачу Б (рис. 1 а).
Схема процесса поперечной обкатки плоскими плитами представлена на рис. 1 Ь. Нижняя плита неподвижна, верхняя плита опускается вниз до значения величины обжатия, после этого верхняя плита перемещается вправо до перемещения заготовки на один оборот, то есть обработка проходит по всей цилиндрической поверхности цилиндра. Затем верхняя плита поднимается для полной разгрузки заготовки. Особенность данной схемы обработки заключается в том, что упрочняемые заготовки получают вращение и обкатываются без закрепления в центрах.
b
a
c
Рис. 1. Схемы технологических способов ППД: а - обкатывание роликом: 1 - заготовка, 2 - ролик; b - поперечная обкатка плоскими плитами: 1 - подвижная плита, 2 - заготовка, 3 - неподвижная плита; с - осциллирующее выглаживание: 1 - рабочий инструмент, 2 - заготовка Fig. 1. Diagrams of technological methods of surface plastic deformation: a - rolling with a roller: 1 - workpiece, 2 - roller; b - transverse rolling with flat plates: 1 - moving plate, 2 - workpiece, 3 - stationary plate; с - oscillating burnishing: 1 - working tool; 2 - workpiece
Ш
Схема осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей представлена на рис. 1 в. В качестве рабочего инструмента использована пластина, имеющая скругление на одном из торцев по радиусу Rпр. Эта часть пластины является рабочим элементом, который прижимается к вращающейся обрабатываемой заготовке. Пластина может поворачиваться по и против вращениея часовой стрелки относительно вертикальной плоскости на некоторый угол а, а также совершать осциллирующее вертикальное движение относительно оси заготовки и перемещаться в осевом направлении по направлению подачи S.
Для сопоставления качества поверхностного слоя упрочненных деталей исследование выполнено на цилиндрических образцах диаметром 20 мм, изготовленных из стали 45. Абсолютное обжатие для всех способов упрочнения приняли равным 0,1 мм.
Обкатывание проводили на токарном станке 1К62 цилиндрическом роликом из стали У10А, диаметром 30 мм с радиусом профиля г =5мм. Поперечную обкатку плоскими плитами выполняли на плоско обкат-
ном станке [14], осциллирующее выглаживание проводили на токарном станке 1К62, профильный радиус рабочего инструмента Нпр = 4 мм; материал - быстрорежущая сталь Р18.
При упрочнении образцов разными способами ППД были выбраны следующие параметры и режимы обработки: обкатка цилиндрическим роликом на токарном станке: продольная подача Э = 0,14 мм/об, натяг t = 0,10 мм, частота вращения заготовки Пз = 100 об/мин. Поперечную обкатку плоскими плитами проводили за 3 оборота заготовки со скоростью подвижной плиты 1,5 м/мин, натяг t = 0,10 мм. Режимы осциллирующего выглаживания: частота вращения заготовки П3 = 100 об/мин; частота осцилляции инструмента Пдв.х = 40 дв.ход/мин; натяг t = 0,10 мм; амплитуда осцилляции деформирующего инструмента е = 30 мм; продольная подача инструмента s = 0,14 мм/об; угол поворота рабочего инструмента а = 450. Приведенные режимы упрочняющей обработки приняты по литературным источникам. Такие режимы обеспечивают наилучшее качество поверхностного слоя для каждого вида упрочнения.
Результаты экспериментальных исследований
Шероховатость упрочненных деталей. Шероховатость обработанных поверхностей определена на приборе FormTalySurfi200. На каждом участке цилиндрического образца проведены измерения шероховатости в трех местах через 1200 по окружности и вычислены средние значения Ra.
На рис. 2 представлен показатель шероховатости Ra в зависимости от способов обработки.
Результаты измерения показывают, что наилучшая шероховатость получена при поперечной обкатке плоскими плитами. Обкатанные детали имеют шероховатость в 6-7 раз меньше, чем шероховатость у деталей, упрочненных другими способами. Низкая шероховатость поверхности деталей при поперечной обкатке плоскими плитами связана с двумя причинами. С одной стороны, благоприятное условие контакта инстру-
мента с обрабатываемой поверхностью, а с другой - многократное действие плит на поверхностный слой.
Микроструктура. После упрочняющей обкатки цилиндрические образцы были разрезаны на отдельные диски. Микроструктуру и микротвердость поверхностного слоя определяли на шлифах, изготовленных из половины дисков толщиной 10 мм, вырезанных из цилиндрических образцов. Диаметральная плоскость диска служила объектом исследования. Образцы заливали в кольца на автоматическом прессе Полилаб С50А с помощью смолы Aka-Resin Acrylic, а затем обрабатывали на шлифовально-полиро-вальном станке Полилаб П12М до зеркального блеска. Травление шлифов выполнили в 5%-м растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Полученные шлифы использовали сначала для оценки микроструктуры, а
Ш
Ra, мкм
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
4,06
1,2
i
0,4
il 0,18 IViViU
II
III
IV
I
Рис. 2. Зависимость показателя шероховатости Ra в зависимости от способа обработки: I - исходная шероховатость поверхности; II - обкатывание роликом; III - осциллирующее
выглаживание; IV - поперечная обкатка плоскими плитами Fig. 2. Dependence of roughness index Ra on the machining method: I - initial surface roughness; II - rolling with a roller; III - oscillating burnishing; IV - transverse rolling with flat plates
затем для определения микротвердости поверхностного слоя.
Микроструктура металлов и сплавов характеризуется величиной зерна и его расположением, формой, размером и количеством различных фаз. Для проведения исследования микроструктуры металла использован металлографический микроскоп марки МЕТ-2, который предназначен для визуального наблюдения микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете при прямом освещении в светлом поле. С помощью программы Toup View была получена и сфотографирована структура металла на экране компьютера.
На рис. 3 представлены фотоснимки микроструктуры образцов после разных способов упрочняющей обработки. Черные зерна - перлит, а белые - феррит.
Величину искажения зерен Да определяли: Да = а0 - а1,
где: а0 - исходный размер зерна; а1 - размер зерна после упрочнения.
Все три способа обработки ППД влияют на изменение микроструктуры в поверхностном слое. После обработки ППД происходит вытягивание зерен в направлении главной деформации и их дробление. В по-
верхностном слое пластически деформированного металла зерна образуют определенную ориентировку, создают так называемую текстуру деформации. Происходит вытягивание зерен в направлении главной деформации, о чем можно судить по микроструктуре наклепанного слоя. Из-за продольного перемещения инструмента, относительно заготовки при обкатывании роликом и осциллирующем выглаживании, зерна вытягиваются в продольном направлении более интенсивно, чем в поперечном. Продольное перемещение инструмента относительно оси заготовки формирует волну выдавливаемого металла, которая оказывает сопротивление относительному перемещению материала между инструментом и заготовкой в продольном направлении, возникает значительное продольное усилие, которое действительно вызывает деформирование зерен вдоль оси заготовки. Область значительного искажения зерен (зона а) распространяется на глубину 0,2-0,3 мм при поперечной обкатке плоскими плитами и осциллирующим выглаживанием, и до 0,1-0,2 мм - при обкатывании роликом. Зону б можно принять как исходную структуру с размером зерен, составляющим около 32 мкм.
Способ обработки ППД
Микроструктура упрочненных образцов
I - Обкатывание роликом Да = 9,6 мкм
II - поперечная обкатка плоскими плитами Да = 13,36 мкм
III - Обкатка осциллирующим выглаживанием Да = 11,33 мкм
Рис. 3. Микроструктура упрочненных образцов при разных способах обработки ППД (увеличение 1000 раз): I - обкатывание роликом; II - поперечная обкатка плоскими плитами;
III - осциллирующее выглаживание Fig. 3. Microstructure of hardened samples under different methods of surface plastic deformation (thousandfold magnification): I - rolling with a roller; II - transverse rolling with flat plates;
III - oscillating burnishing
Существенное изменение размеров зерен происходит в поверхностных слоях. При поперечной обкатке плоскими плитами размеры зерен уменьшаются в среднем в осевом направлении образца на 46,2%, а в поперечном - на 37,3%.
При осциллирующем выглаживании зерен уменьшаются, соответственно, на 38,5% и 32,7%. При обкатке роликом размеры зерен уменьшаются на 34% в поперечном и на 25,7% в продольном направлении.
Микротвердость и глубина наклепанного слоя упрочненных деталей. Микротвердость характеризует сопротивление материала пластическому вдавливанию твердого наконечника. Для определения микротвердости в России серийно выпускают прибор марки ПМТ-3, представляющий собой вертикальный микроскоп, укрепленный на массивной стойке с ленточной резьбой. В практике измерения микротвердости чаще всего применяется алмазная квадрат-
Ш
ная пирамида с углом при вершине 1360
На рис. 4 показано распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя, которая после обработки ППД повышается на 17-22%. При данных режимах упрочнения максимальная микротвердость получена при поперечной обкатке плоскими плитами (2812 МПа). Поэтому при поперечной обкатке плоскими плитами также достигается более высокий эффект упрочнения по сравнению с локальным способом: степень упрочнения повышается на 3-4%, глубина упрочнения - на 25-60% [12]. Увеличенная твердость возникает благодаря стесненному деформированию микропрофиля в зоне контакта инструмента и заготовки.
Поверхностная твердость. Для
определения твердости по Роквеллу использовали прибор марка HBRV-187.5. На каждом участке образца твердость была измерена в шести точках, расположенных на поверхности по двум окружностям. Твердость каждого участка принята как средне-
арифметическое значение твердости в шести точках.
На рис. 5 показано изменение поверхностной твердости в зависимости от способа обработки.
Наибольшая твердость получена при поперечной обкатке плоскими плитами, а наименьшая - при обкатке роликом. При этом твердость увеличивается, соответственно, на 11,9 % и 4,3 %. Это объясняется тем, что при поперечной обкатке плоскими плитами поверхностный слой деформируется многократно и в большей мере, чем при обкатке роликом. При осциллирующем выглаживании твердость повышается на 5,9% по сравнению с исходной твердостью.
Остаточные напряжения в упрочненных деталях. Для измерения остаточных напряжений использовали прибор Xstress 3000 G3/G3R. Режим измерения: хромовый анод, К-а излучение, напряжение на рентгеновской трубке - 25кВ, ток - 5,5 мА. Использовали оба детектора, коллиматор -5 мм. Угол дифракции - 156,4°. Плоскость
с
2850 2750
2650
н о
0
1 2550 и
н о
& 2450 к
2350
2250
2150
J,
N 3
2 /
> 4 /
W 1
< >< X- i i 1 1—-■ ■
150 300 450 600 750 900 1050
Глубина, h, мкм
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя в зависимости от способа обработки: 1 - исходная микротвердость поверхности; 2 - обкатывание роликом; 3 - осциллирующее выглаживание; 4 - поперечная обкатка плоскими плитами Fig. 4. Microhardness distribution over the depth of the hardened layer depending on the machining method: 1 - initial surface microhardness; 2 - rolling with a roller; 3 - oscillating burnishing; 4 - transverse rolling with flat plates
0
отражения (311). Количество наклонов - 8, отклонение наклона (осцилляция) ±5°. Время экспозиции - 5 сек. Измерение напряжений проводили в 2-х направлениях (ф): 0° (положение гониометра вдоль образца) и 90° (положение гониометра поперек образца). Определяли нормальные напряжения одним из стандартных способов обсчета пиков Реак^, предлагаемым программным обеспечением прибора. Для автоматизированного расчета напряжений вводили параметры материала: модуль Юнга - 210 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,3. Результаты измерения остаточных напряжений рентгеновским способом представлены в таблице.
При всех трех способах обработки ППД возникают остаточные напряжения
сжатия на поверхности образцов. Максимальное осевое остаточное напряжение получено при осциллирующем выглаживании, далее при обкатывании роликом и поперечной обкатке плоскими плитами (в 1,8 раза). Однако наибольшее тангенциальное напряжение формируется при поперечной обкатке плоскими плитами, а минимальное -при осциллирующем выглаживании (в 1,3 раза), что согласуется с литературными данными [9, 10, 15].
Отклонения от круглости цилиндрических деталей. Для измерения отклонения от круглости образцов использована портальная координатно-измеритель-ная машина (КИМ) Carl Zeiss Contura G2 Aktiv. Измерение с точностью 1 мкм было
HRB
98
95 94.1 .2
*
88,8 1
85.1 _
M
1 1 1 I 1 -1
95 92 89 86 83 80
II
III
IV
Остаточные напряжения Обкатывание роликом Поперечная обкатка плоскими плитами Осциллирующее выглаживание
ov, МПа -223 -285 -216
oz, МПа -334 -212 -387
I
Рис. 5. Поверхностная твердость образцов в зависимости от способов обработки: I - исходная твердость; II - обкатывание роликом; III - осциллирующее выглаживание; IV - поперечная обкатка плоскими плитами Fig. 5. Surface hardness of samples depending on machining methods: I - initial hardness, II - rolling with a roller, III - oscillating burnishing, IV - transverse rolling with flat plates
Остаточные напряжения на поверхности деталей при разных способах деформирующего упрочнения Residual stresses on part surface at different methods of deforming hardening
выполнено в 375 точках. Результаты измерения представлены в виде профилограмм поперечных сечений и значений отклонения от круглости.
Отклонение от круглости определяли как максимальную полуразность между наибольшим дтах и наименьшим дтЫ диаметрами в каждом из сечений:
л _ Ртах Р-п
Дкр- 2
На рис. 6 показана зависимость отклонения от круглости цилиндрических образцов от способа обработки.
Результаты измерения отклонений от круглости показывают, что после обработки ППД отклонение от круглости снижается в 2-3 раза. Исходное отклонение партии обрацов составило 18,5 мкм, что соответствует 10-й степени точности. Осциллирующее выглаживание способствует повышению точности формы упрочненных деталей на 1-2 степени точности. Наименьшее отклонение от круглости цилиндрических деталей получено при поперечной обкатке плоскими плитами в 2,9 раза, а при осциллирующем выглаживании в 2,5 раза.
Оценка износостойкости деталей, упрочненных разными способами.
При эксплуатации машин их детали контактируют друг с другом или с окружающей средой. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства: износо - и коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. Важнейшим из них является износостойкость, которая характеризует сопротивление поверхности детали изнашиванию. В процессе изнашивания происходит изменение формы и размеров сопрягаемых деталей, возможны изменения физико-механических свойств поверхностного слоя деталей, нарушаются условия правильной эксплуатации [16]. Износостойкость является одной из основных характеристик, определяющих долговечность деталей и машин.
Рассмотрим влияние рассматриваемых способов обработки на износостойкость поверхностного слоя упрочненных образцов.
Износостойкость оценивается по абсолютной величине износа по формуле:
_ ДЛ _ Д, - Д
2
20
<Г
s н о
8 L-
£ н
о «
s и
(D
И о
н О
17 -
14 -
11
8 -
18,5 i
I
1
1 9,2 m 7,5
I i s® 65 1 1
II
III
IV
5
I
Рис. 6. Отклонения от круглости цилиндрических образцов в зависимости от способов обработки: I - исходная; II - обкатывание роликом; III - осциллирующее выглаживание; IV - поперечная обкатка плоскими плитами Fig. 6. Cylindrical sample deviations from roundness depending on machining methods: I - initial, II - rolling with a roller, III - oscillating burnishing, IV - transverse rolling with flat plates
1
где д0- исходный диаметр образцов; -диаметр образцов после изнашивания. Для оценки износостойкости упрочненных валов была сконструирована и изготовлена установка (рис. 7). Установка содержит корпус 1, в котором размещен электродвигатель 2 привода вращения. Вращение от электродвигателя 2 с помощью ременной передачи 3 передается на приводную головку 4 и патрон 5, который предназначен для закрепления образца 6, и сообщения ему вращательного движения. В корпусе также установлен механизм нагружения для прижатия к образцу контртел, представляющих собой две половины (вкладыши) резиновой втулки. Вкладыши с помощью механизма нагружения, состоящего из груза 8 и рычага 7, прижимаются с определенным усилием к рабочей поверхности образца. Испытание образцов проводили в водной среде, которая соответствует реальному условию работы трансмиссионных насосов.
7
Рис. 7. Установка для исследования износостойкости упрочненных деталей: 1 - корпус; 2 - электродвигатель; 3 - ременная подача; 4 - приводная головка; 5 - патрон, 6 - образец; 7 - рычаг; 8 - груз Fig. 7. Installation for studying wear resistance of hardened parts: 1 - case; 2 - electric motor; 3 - belt feed; 4 - drive head; 5 - cartridge; 6 - sample; 7 - lever; 8 - load
Было исследовано четыре вида образцов для испытания на износ. Образцы первого вида не подвергаются упрочнению. Образцы второго, третьего и четвертого вида получены после обработки ППД.
Скорость вращения образцов - 1250 об/мин. Нагрузка в зоне контакта составляла 150 Н и была обеспечена грузом механизма нагружения. Эксперименты проводили в течение 120 ч. Через заданные промежутки времени (10 часов) образцы снимали с экспериментальной установки и измеряли их диаметры микроиндикаторной головкой с точностью 0,001 мм в трех разных сечениях образца в изношенной зоне. Среднее значение из трех полученных измерений принимали за диаметр образца после изнашивания.
На рис. 8 представлены результаты испытания на износостойкость необработанных и упрочненных заготовок.
Результаты исследования показали, что износостойкость упрочненных образцов
8
Ш
в несколько раз выше износостойкости образцов без упрочнения. Повышение износостойкости нельзя объяснить только повышенной микротвердостью упрочненных деталей. Существенное значение для повышения износостойкости имеет дисперсность структуры и улучшение микрогеометрии поверхности. Максимальная износостойкость наблюдается у деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами, а минимальная - у деталей, упрочненных обкатыванием роликом. Износостойкость деталей,
упрочненных осциллирующим выглаживанием, увеличивается почти в 2 раза.
Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с данными других исследований [15, 17-18].
В работе рассмотрено качество поверхностного слоя образцов после упрочнения тремя разными способами. Следует отметить, что при выборе способа упрочнения необходимо учитывать также и геометрию деталей, и вид деформирующего инструмента, и тип технологического оборудования.
Абсолютный износ, U, мкм 30
25 20 15
10 5
20
40
60
80
100 120 t, час
Рис. 8. Абсолютный износ упрочненных образцов в зависимости от способа обработки: 1 - без упрочнения; 2 - упрочнение роликом; 3 - осциллирующее выглаживание; 4 - упрочнение поперечной обкаткой плоскими плитами Fig. 8. Absolute wear of hardened samples depending on the machining method: 1 - without hardening; 2 - hardened with a roller; 3 - oscillating burnishing; 4 - hardening by transverse rolling with flat plates
Заключение
0
0
1. Экспериментальным путем установлено, что шероховатость, полученная при осциллирующем выглаживании, меньше, чем при обкатке роликом, но больше, чем при поперечной обкатке плоскими плитами. Обкатанные поверхности имеют шероховатость в 6-7 раз меньше, чем шероховатость у деталей, упрочненных другими способами.
2. Изменение размеров зерен происходит только в поверхностном слое, центральная область практически не претерпевает пластических деформаций, и зерна не изменяют своих размеров. Область значи-
тельного искажения зерен распространяется на глубину 0,1-0,2 мм при поперечной обкатке плоскими плитами и осциллирующем выглаживании, и на 0,1 мм - при обкатывании роликом.
3. Микротвердость и твердость получена при осциллирующем выглаживании больше, чем при обкатке роликом, но меньше, чем при поперечной обкатке плоскими плитами.
4. Наименьшее отклонение от круглости цилиндрических деталей получено при поперечной обкатке плоскими плитами (2,9 раза), а при обкатке роликом (2,1 раза).
5. При всех трех способах обработки ППД возникают остаточные напряжения сжатия на поверхности образцов. Максимальное осевое остаточное напряжение получено при осциллирующем выглаживании, далее при обкатывании роликом и поперечной обкатке плоскими плитами (в 1,8 раза). Однако наибольшее тангенциальное напряжение формируется при поперечной обкатке плоскими плитами, а минимальное - при осциллирующем выглаживании (в 1,3 раза).
6. Износостойкость упрочненных образцов в несколько раз выше износостойкости образцов без упрочнения. Максимальная износостойкость наблюдается у деталей, упрочненных поперечной обкаткой плоскими плитами, а минимальная - у деталей, упрочненных обкатыванием роликом. Износостойкость деталей, упрочненных осциллирующим выглаживанием, увеличивается почти в 2 раза.
Библиографический список
1. Bobrovskij I.N. Burnishing Systems: а Short Survey of the State-of-the-art ATCES 2017 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 302 012041. 2018.
2. Grigoriev S.N., Bobrovskij N.M., Melnikov P.A. and Bobrovskij I.N. 2017 Research of Tool Durability in Surface Plastic Deformation Processing by Burnishing of Steel Without Metalworking Fluids IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 2013. 66 (1). 01.
3. Жасимов М.М. Управление качеством деталей при поверхностном пластическом деформировании. Алма-Ата: Наука, 1986. 208 с.
4. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 152 с.
5. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. М.: Машино-строение-1, 2007. 400 с.
6. Lebedko A.I. Increase in the endurance of textile equipment parts by surface plastic deformation // Metal Science and Heat Treatment. 1982. Т. 24. № 4. C. 295297.
7. Зайдес С.А., Нго К.К. Поверхностное деформирование в стесненных условиях. Иркутск: Изд-во Иргту, 2018. 236 с.
8. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 299 с.
9. Поляк М.С. Технология упрочнения. Техно. методы упрочнения; 2 т. М.: Машиностроение, 1995. Т. 2. 688 с.
10. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным деформированием. Минск:
Наука и техника, 1981. 128 с.
11. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
12. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь Влияние параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных поверхностей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. № 4. С. 22-29. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-4-22-29
13. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь. Влияние параметров осциллирующего выглаживания на образование регулярнного микрорельефа поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. № 12. С. 62-69.
14. Зайдес С.А., Фам Дак Фыонг. Оценка качества цилиндрических деталей после поперечной обкатки плоскими плитами // Вестник Упрочняющие технологии и покрытия. 2016 № 7. С. 14-18.
15. Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции. М.: Металлургия, 1981. 288 с.
16. Терещенко А.В. Влияние микрогеометрии поверхности на ее износостойкость - планирование эксперимента // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2008. № 48. С. 108-112.
17. Драчев О.И. Управление технологической наследственностью деталей малой жесткости. Ир-бит: ОНИКС, 2011. 192 с.
18. Драпкин Б.М., Кононенко В.К., Безъязычный В.Ф. Свойства сплавов в экстремальном состоянии. М.: Машиностроение, 2004. 256 с.
References
1. Bobrovskij I.N. Burnishing Systems: A Short Survey of the State-of-the-art ATCES 2017 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 302 012041. 2018.
2. Grigoriev S.N., Bobrovskij N.M., Melnikov P.A. and Bobrovskij I.N. 2017 Research of Tool Du-rability in Surface Plastic Deformation Processing by Burnishing of Steel Without Metalworking Fluids IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2013. 66 (1). 01.
3. Zhasimov M.M. Upravlenie kachestvom detalej pri poverhnostnom plasticheskom de-formirovanii [Quality control of parts at surface plastic deformation]. Alma-Ata: Nauka Publ., 1986, 208 p. (In Russian)
4. Papshev D.D. Otdelochno-uprochnyayushchaya obrabotka poverhnostnym plasticheskim defor-miro-vaniem [Finishing and hardening treatment by surface plastic deformation]. Moscow: Mashinostroenie Publ.,
1987, 152 р. (In Russian)
5. Blyumenshtejn V.Yu., Smelyanskij V.M. Mekhanika tekhnologicheskogo nasledovaniya na stadiyah obrabotki i ekspluatacii detalej mashin [Mechanics of technological inheritance at the stages of machine part processing and operation]. Moscow: Mashinostroenie-1 Publ., 2007, 400 р. (In Russian)
6. Lebedko A.I. Increase in the endurance of textile equipment parts by surface plastic deformation. Metal Science and Heat Treatment, 1982, vol. 24, no. 4, рр. 295-297.
7. Zajdes S.A., Ngo K.K. Poverhnostnoe deformirovanie v stesnennyh usloviyah [Surface deformation under constrained conditions]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2018, 236 р. (In Russian)
8. Smelyanskij V.M. Mekhanika uprochneniya detalej poverhnostnym plasticheskim defor-mirovaniem [Mechanics of part hardening by surface plastic deformation]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2002, 299 р. (In Russian)
9. Polyak M.S. Tekhnologiya uprochneniya. Tekhno. metody uprochneniya [Hardening technology. Technical methods of hardening]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1995, vol. 2, 688 р. (In Russian)
10. Chepa P.A. Tekhnologicheskie osnovy uprochneniya detalej poverhnostnym deformiro-vaniem [Technological bases of part hardening by surface deformation]. Minsk: Nauka i tekhnika Publ., 1981, 128 р. (In Russian)
11. Odincov L.G. Uprochnenie i otdelka detalej pover-hnostnym plasticheskim deformirovaniem: spravochnik [Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation: reference book]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1987, 328 р. (In Russian)
12. Zajdes S.A., Nguen Van Hin' Oscillating burnishing
Критерии авторства
Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь, Фам Ван Ань сравнили качество поверхностного слоя образцов, обработанных новыми способами упрочнения с традиционной обкаткой роликом. Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов, и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: [email protected]
Нгуен Ван Хинь, аспирант, e-mail: [email protected]
Фам Ван Ань, аспирант, e-mail: [email protected]
parameters effect on hardened surface roughness. Vest-nik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2017, no. 4, pp. 22-29. (In Russian). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-4-22-29
13. Zajdes S.A., Nguen Van Hin'. Influence of the oscillation parameters smoothing on formation of regular microrelief of the surface layer. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening Technologies and Coatings], 2017, no. 12, pp. 62-69. (In Russian)
14. Zajdes S.A., Fam Dak Fyong. Assessment of the quality of cylindrical parts after transverse burnishing with flat plates. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening Technologies and Coatings], 2016, no. 7, pp. 14-18. (In Russian)
15. Sokolov I.A., Ural'skij V.I. Ostatochnye naprya-zheniya i kachestvo metalloprodukcii [Residual stresses and quality of metal products]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1981, 288 p. (In Russian)
16. Tereshchenko A.V. Influence of surface microgeom-etry on its wear resistance - experiment planning. Nauchno-tekhnicheskij vestnik informacionnyh tekhnologij, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics], 2008, no. 48, pp. 108-112. (In Russian)
17. Drachev O.I. Upravlenie tekhnologicheskoj nasledstvennost'yu detalej maloj zhestkosti [Control of technological heredity of low rigid parts]. Irbit: ONIKS Publ., 2011, 192 p. (In Russian)
18. Drapkin B.M., Kononenko V.K., Bez"yazychnyj V.F. Svojstva splavov v ekstremal'nom sostoyanii [Properties of alloys at extreme condition]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2004, 256 p. (In Russian)
Authorship criteria
Zaides S.A., Nguyen Van Hinh, Pham Van Anh compared the quality of the surface layer of samples treated by the new hardening methods and by traditional rolling. The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Semen A. Zaides, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Engineering Technologies and Materials, e-mail: [email protected]
Nguyen Van Hinh, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
Pham Van Anh, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
