CC BY
74
Оригинальная статья / Original article УДК 621.7.011
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1 -30-37
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ РОЛИКАМИ РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
© Нго Као Кыонг1, С.А. Зайдес2, Лэ Хонг Куанг3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Изучить влияние кинематики деформирования на характеристики качества поверхностного слоя упрочненных деталей: шероховатость, остаточные напряжения, глубина наклепа, твердость и микротвердость. МЕТОДЫ. Экспериментально определены характеристики поверхностного слоя упрочненных деталей на современном оборудовании: профилограф-профилометр модели Form Talysurf i200, твердомер модели HBRV 187,5, микротвердомер марки ПМТ-3, прибор Xstress 3000 G3/G3R, металлографический микроскоп марки МЕТ-2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. В результате экспериментальных исследований было установлено, что поверхностное пластическое деформирование (ППД) двухрадиусным роликом по сравнению с однорадиусным имеет ряд преимуществ в отношении качества упрочненного слоя. Так, шероховатость поверхности снижается в 3-3,5 раза, твердость поверхностного слоя повышается на 6-8%, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое возрастают в 1,2-1,5 раза. ВЫВОДЫ. Результаты экспериментальных исследований позволяют выбрать способ упрочнения для получения заданных характеристик качества поверхностного слоя деталей машин. Полученные результаты дают основание для разработки комбинированных способов ППД, обеспечивающих получение высокого качества поверхностного слоя по ряду показателей.
Ключевые слова: двухрадиусный ролик, деформационное упрочнение, поверхностное пластическое деформирование, качество поверхностного слоя, шероховатость, твердость, остаточное напряжение.
Формат цитирования: Нго Као Кыонг, Зайдес С.А., Лэ Хонг Куанг. Оценка качества упрочненного слоя при поверхностном пластическом деформировании роликами разных конструкций // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 30-37. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-30-37
HARDENED LAYER QUALITY EVALUATION AT SURFACE PLASTIC DEFORMATION BY ROLLERS
OF DIFFERENT DESIGNS
Ngo Cao Cuong, S.A. Zaides, Le Hong Quang
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to study the influence of deformation kinematics on the quality characteristics of the hardened part surface layer including roughness, residual stresses, mechanical hardening depth, hardness and microhardness. METHODS. The characteristics of the surface layer of hardened parts have been experimentally determined using modern equipment: a profilograph-profilometer Form Talysurf i200, a hardness tester HBRV 187.5, a microhardness meter PMT-3, a device Xstress 3000 G3/G3R, a metallographic microscope MET-2. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The experimental studies allowed to find out that surface plastic deformation by a two-radius roller has a number of advantages in the quality of the hardened layer as compared with a single radius roller. For example, surface roughness decreases by 3-3.5 times, surface layer hardness increases by 6-8%, residual compressive stresses in the surface layer increase by 1.2-1.5 times. CONCLUSIONS. The results of experimental studies allow to choose the method of hardening in order to obtain specified quality characteristics of the surface layer of machine parts. The obtained results can serve the basis for the development of combined methods of surface plastic deformation ensuring high quality of the surface layer by a number of parameters.
Keywords: two-radius roller, deformation hardening, surface plastic deformation, surface layer quality, roughness, hardness, residual stress
1
Нго Као Кыонг, аспирант, e-mail: cuong.istu@gmail.com Ngo Cao Cuong, Postgraduate, e-mail: cuong.istu@gmail.com
2Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu
Semen A. Zaides, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu
3Лэ Хонг Куанг, аспирант, e-mail: cuong.istu@gmail.com Le Hong Quang, Postgraduate, e-mail: cuong.istu@gmail.com
©
For citation: Ngo Cao Cuong, Zaides S.A., Le Hong Quang. Hardened layer quality evaluation at surface plastic deformation by rollers of different designs. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 30-37. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-30-37
Введение
Для повышения долговечности различных деталей в промышленности широко применяют технологии поверхностного пластического деформирования (ППД). От-делочно-упрочняющие методы обработки ППД просты в реализации, экономичны, производительны. Они обеспечивают формирование низкой шероховатости, заданную глубину и степень упрочнения поверхностного слоя, остаточные напряжения сжатия в поверхностных слоях, мелкозернистость структуры и других показателей качества поверхностного слоя обработанных деталей [1-3].
ППД традиционно осуществляется локальным деформирующим инструментом (шарик, ролик, диск, алмазный индентор и др.). Пластическое локальное воздействие позволяет выполнять отделочно-упрочняющую обработку разнообразных деталей простых и сложных форм.
Однако технология, предлагаемая для обработки ППД жестких валов (валов большого диаметра и малой длины), иногда не может быть использована для упрочнения маложестких валов без существенного увеличения жесткости технологической системы, создания специальных инструментов и оборудования. При пласти-
ческом деформировании деталей малой жесткости (тонкостенные, длинномерные детали) возможности локальных методов упрочнения ограничены. Это связано с малой изгибной жесткостью заготовки, вибрациями в механической системе, сложностью достижения заданного качества изделия, точности и производительности обработки, а также с отсутствием необходимого технологического оборудования. Пластическая деформация только поверхностного слоя вызывает значительные деформации и перемещения частиц металла, что отрицательно сказывается на геометрии изделия [4].
Вопросы интенсификации напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при ППД рассмотрены в работах [5, 6]. При этом установлена существенная эффективность предложенных решений. Однако оценка качества упрочненного слоя осталась под вопросом. Поэтому целью данной работы является исследование качества упрочненного слоя при использовании новой технологической схемы ППД и сравнение экспериментальных результатов с данными, полученными при обработке деталей обычным цилиндрическим однорадиусным роликом.
Физические особенности деформационного упрочнения
Согласно современной дислокационной теории, основные механизмы упрочнения, обеспечивающие повышение напряжения пластического течения, можно классифицировать на основе геометрических размеров «препятствий», тормозящих движение дислокаций (элементы субструктуры, границы зерен, растворенные атомы, дислокации, дисперсные частицы) [7]. Наиболее эффективное упрочнение сталей и сплавов может быть реализовано путем целенаправленных технологических воздействий на структуру металлов для уве-
личения плотности дислокаций и создания дислокационной субструктуры для увеличения сопротивления сдвига упрочняемого материала.
Таким образом, пути повышения прочностных свойств сплавов и сталей заключаются в разработке упрочняющих технологий, обеспечивающих формирование такого структурного состояния материала, при котором максимально реализуются основные принципы дислокационной теории упрочнения. Интенсификация напряженного состояния может быть достигнута, если
будет усилено деформационное искажение зерен материала. Отсюда вытекает технологическая задача: необходимо создать такую конструкцию и кинематику рабочего локального инструмента, которые при по-
верхностном пластическом деформировании усиливали бы искажение структуры материала при сохранении качества поверхностного слоя.
Конструкция локального инструмента
В практике ППД известно и широко используют локальные упрочняющие методы обкатки деталей цилиндрическим роликом. Процесс локального ППД представлен цилиндрическим роликом, вращающимся относительно горизонтальной оси. Перемещаясь в осевом направлении по поверхности вращающегося цилиндрического образца, деформирующий ролик создает винтовую траекторию пластического следа на обрабатываемой поверхности. С точки зрения деформационного искажения микроструктуры обработка является малоэффективной.
Техническая идея по интенсификации напряженного состояния в очаге деформации заключается в изменении кинематики рабочего инструмента, которая должна усиливать искажение зеренной структуры материала. Новый способ ППД наружных цилиндрических поверхностей деталей машин отличается тем, что де-
формирующий элемент инструмента является индентором с двумя рабочими профильными радиусами. При этом инструменту дополнительно сообщают вращательное движение относительно оси, проходящей через плоскость, соединяющую два ролика и расположенную перпендикулярно к оси заготовки.
При вращении ролика вокруг диаметральной оси происходит наложение пластических полей разных ориентаций по направлению, что должно способствовать искажению, «перемешиванию» структуры в поверхностном слое, в итоге эффективность упрочняющей обработки должна быть еще выше. Способ упрочнения поясняется чертежом: на рис. 1 представлена схема данного способа обработки для поверхностного пластического деформирования цилиндрической заготовки и конструкция рабочей части ролика, реализующего данной способ.
b
Рис. 1. А - схемы упрочняющей обработки двухрадиусным (I) и однорадиусным роликом (II) на токарном станке; b - вид рабочей части двухрадиусного ролика: 1 - инструмент; 2 - заготовка; 3 - задняя бабка; 4 - трехкулачковый патрон Fig. 1. А - Schemes of hardening machining by two-radius (I) and one-radius roller (II) on the lathe; b - view of the working part of the two-radius roller: 1 - tool; 2 - workpiece; 3 - tailstock; 4 - three-jaw chuck
a
Методика экспериментальных исследований
Исследования проведены на цилиндрических образцах диаметром 18 мм, изготовленных из стали 45 на токарном станке 1К62. Для локального упрочнения использовали однорадиусный цилиндрический ролик из стали У10А диаметром 30 мм с радиусом профиля R = 5 мм. В качестве технологической смазки использовали масло И-40А. Режим обработки: подача инструмента s - 0,21 мм/об.; глубина внедрения ролика (натяг) - 0,1 мм; частота вращения заготовки n - 125 мин-1.
Обкатывание двухрадиусным роликом выполнено на токарном обрабатывающем центре DMG NEF400 (Германия) также с глубиной внедрения 0,1 мм. Подача и частота вращения инструмента приняты соответственно: s = 0,21 мм/об.; n3 = 25 мин-1; nuHc = 1200мин-1. Смазка - масло И-40А. Двухрадиусный ролик изготовлен из стали У10А с профильным радиусом R^ = 3 мм, l = 2 мм.
Измерение параметров шероховатости после упрочнения ППД проводили с помощью профилографа-профилометра модели Form Talysurf i200 производства фирмы Taylor Hobson (Англия) с применением индуктивного и лазерного интерфе-рометрического датчиков. Прибор способен измерять отклонения формы в пределах ограниченной поверхности, волнистость, направления неровностей, изъяны поверхности, а также параметры шероховатости, в том числе соответствующие ГОСТ 2789734.
С помощью твердомера модели HBRV 187,5 определена поверхностная твердость по Роквеллу стальным шариком диаметра 1,588 мм (HRB). Твердость по Роквеллу определена по глубине вдавливания наконечника. Вдавливание производили под действием двух последовательно приложенных нагрузок - предварительной, равной 100 Н, и окончательной (общей),
равной 980 Н. Твердость определяли по разности глубин вдавливания отпечатков. Глубина отпечатка под действием основной нагрузки фиксируется индикатором, а твердость по HRB после измерения отсчитыва-ется на экране твердомера.
Для определения микротвердости использован микротвердомер марки ПМТ-3 с усилием нагружения 200 г. При испытании измеряли диагональ отпечатка d и по соответствующим таблицам (для заданной нагрузки Р) получили микротвердость Нд, Н/мм2.
Для измерения остаточных напряжений использовали прибор Xstress 3000 G3/G3R. Режим измерения: хромовый анод; K-a-излучение; напряжение на рентгеновской трубке - 25 кВ; сила тока -5,5 мА; коллиматор размером 5 мм; угол дифракции - 156,4°; плоскость отражения -311; количество наклонов - 8; отклонение наклона (осцилляция) - ±5°; время экспозиции - 5 с. Измерение напряжений (ф) проводили в двух направлениях - 0° (положение гониометра вдоль образца) и 90° (положение гониометра поперек образца). Нормальные напряжения определяли одним из стандартных способов обсчета пиков Peakfit, предлагаемых программным обеспечением прибора. Для автоматизированного расчета напряжений вводили параметры материала: модуль Юнга -210 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,3.
Для исследования микроструктуры металла использован металлографический микроскоп марки МЕТ-2, предназначенный для визуального наблюдения микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете при прямом освещении в светлом поле, а также для исследования объектов в поляризованном свете. Образцы подготовлены и залиты в формы на прессе марки Полилаб С50А. Образцы шлифовали наждачной бу-
ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М.: Стандартинформ, 2006 / GOST 2789-73. Surface roughness. Parameters and characteristics. Moscow: Standartinform Publ., 2006.
магои различном зернистости, травили спиртом и 5%-ной азотноИ кислотой. Струк-
тура металла была сфотографирована с помощью программы Toup View.
Результаты эксперимента
Далее показано влияние приведенных схем упрочнения на основные характеристики качества поверхностного слоя: шероховатость, поверхностную твердость, остаточные напряжения, микроструктуру и глубину наклепа.
Шероховатость. Профилограмма шероховатости при обкатке двухрадиусным и однорадиусным роликами показана на рис. 2, из которого видно, что высота и степень заполнения впадин микронеровностей имеют лучшие результаты при обработке двухрадиусным роликом. На рис. 3 представлена зависимость показателей шероховатости от схемы обработки. Величины показателей шероховатости перед упроч-
нением образцов имели следующие значения:
Ra = 1,7 мкм, Rz = 13 мкм. После обкатки однорадиусным роликом величины Rz и Ra снижаются в 2 и 2,2 раза соответственно, а при обкатке двухрадиусным роликом Rz - в 2,9 раз, Ra - в 3,5 раза.
Поверхностная твердость. На рис. 4 показана зависимость поверхностной твердости от способа обработки. При обкатке двухрадиусным роликом поверхностный слой деформируется многократно и в большей мере, чем при обкатке однорадиусным роликом. В результате твердость увеличивается соответственно на 9,4 и 3,5% по сравнению с исходной твердостью.
a b
Рис. 2. Профилограммы шероховатости при обкатке двухрадиусным (а) и однорадиусным роликом (b) Fig. 2. Profilograms of roughness when rolling with two-radius (a) and one-radius roller (b)
Rz, мкм / Rz, ^m
8
Rzucx= 13 мкм
Ra, мкм / Ra, ^m
0,8
0,6 0,4 0,2 0
Raucx= 1,7 мкм
Рис. 3. Зависимость показателей шероховатости от способа обработки: I - обкатка двухрадиусным роликом; II - обкатка однорадиусным роликом Fig. 3. Roughness dependence on machining method: I - two-radius roller machining,
II - one-radius roller machining
II
II
HRB 93
91
89
87
85
HRBucx- 85
Рис. 4. Поверхностная твердость в зависимости от способов обработки: I - обкатка двухрадиусным роликом; II - обкатка однорадиусным роликом Fig. 4. Surface hardness depending on machining methods: I - two-radius roller machining;
II - one-radius roller machining
I
Остаточные напряжения. Результаты измерения остаточных напряжений рентгеновским способом показаны на рис. 5, из которого видно, что остаточные осевые напряжения имеют большие значения, чем остаточные тангенциальные. При обкатке двухрадиусным и однорадиусным роликами в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия. При этом отношение осевых и тангенциальных напряжений составляет 1,7-2, что согласуется с литературными данными [8]. При обкатке двухрадиусным роликом значение поверхностных остаточных напряжений повышается в 1,2-1,5 раза по сравнению с обкаткой однорадиусным роликом.
Микроструктура. Снимки микроструктуры
ставлены в таблице (черные зерна - перлит, белые - феррит).
Рассмотренные способы упрочнения влияют на изменение микроструктуры в поверхностном слое. После обработки ППД зерна вытягиваются в продольном направлении интенсивнее, чем в поперечном. При этом наблюдается измельчение зерен, разрушение их границ и образование текстуры. Исходная структура с средним размером зерен составляла 22 мкм. При обкатке двухрадиусным роликом размеры зерен уменьшаются соответственно на 78,5% в продольном и на 64,6% в поперечном направлении. При обкатке однорадиусным роликом размеры зерен уменьшаются на 65,7% в продольном и на 46% в попереч-
на краю упрочненной зоны пред- ном направлении.
I II
о
-100 -200 -300 -400 -500
оосг, МПА / ores, MPa
„.ост / .т-res и(р / и(р
о°сТ / o£es
Рис. 5. Остаточные напряжения на цилиндрической поверхности при различных схемах обработки: I - обкатка двухрадиусным роликом; I - обкатка однорадиусным роликом Fig. 5. Residual stresses on the cylindrical surface under different machining schemes: I - two-radius roller machining; II - one-radius roller machining
Микроструктура упрочненных образцов после обработки разными способами
(увеличение х1000) Microstructure of hardened samples after different machining methods
(thousandfold magnification)_
Способ обработки / Machining method
Обкатка двухрадиусным роликом / Two-radius roller machining
Обкатка однорадиусным роликом / One-radius roller machining
Поперечное сечение / Cross section
Продольное сечение / Longitudinal section
Микротвердость и глубина наклепа. На рис. 6 показано распределение микротвердости по поперечному сечению в зависимости от способов обработки.
Локальный процесс упрочнения двухрадиусным роликом по сравнению с обкаткой однорадиусным роликом позволяет получить больший градиент изменения и значение микротвердости, но меньшую глубину пластической зоны.
По результатам экспериментальных исследований выявлено, что качество поверхностного слоя существенно зависит от способов поверхностного пластического деформирования. Выбор способа ППД и назначение режимов обработки необходимо осуществлять в зависимости от технических требований к поверхностным слоям деталей.
H„, МПа / HV, MPa
3000
2700
2400
2100
1800
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Расстояние от поверхности, мм / Distance from the surface, mm
II
Рис. 6. Распределение микротвердости по поперечному сечению образцов в зависимости от способов обработки: I - обкатка двухрадиусным роликом; II - обкатка однорадиусным роликом Fig. 6. Microhardness distribution over the cross section of samples depending on machining methods: I - two-radius roller machining; II - one-radius roller machining
Выводы
В результате экспериментальных исследований было установлено, что поверхностное пластическое деформирование двухрадиусным роликом, по сравнению с однорадиусным, имеет ряд преимуществ в отношении качества упрочненного слоя. Так, шероховатость поверхности снижается в 3-3,5 раза, твердость поверхностного слоя повышается на 6-8%, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое возрастают в 1,2-1,5 раза. Следует отме-
тить, что при упрочнении двухрадиусным роликом глубина наклепанного слоя несколько ниже.
Полученные результаты позволяют выбрать способ упрочнения для получения заданных характеристик качества поверхностного слоя деталей машин, а также дают основание для разработки комбинированных способов ППД, обеспечивающих получение высокого качества поверхностного слоя по ряду показателей.
Библиографический список
1. Инженерия поверхности деталей. Колл. авторов; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.
2. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
3. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. М.: Машиностроение, 2007. 399 с.
4. Зайдес С.А., Емельянов В.Н., Попов М.Е. Деформирующая обработка валов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 452 с.
5. Зайдес С.А., Нго К.К. Новые технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки
поверхностным пластическим деформированием // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017. № 3. С. 25-30.
6. Зайдес С.А., Нго К.К. Повышение напряженного состояния в очаге деформации при поверхностном пластическом деформировании цилиндрических деталей // Известие высших учебных заведений. Машиностроение. 2017. № 5. С. 52-59.
7. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Ме-таллофизические основы разработки упрочняющих технологий. М.: Машиностроение, 2003. 384 с.
8. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
References
1. Inzhenerija poverhnosti detalej [Part surface engineering]. A.G. Suslov, V.F. Bezjazychnyj, Ju.V. Panfilov i dr. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2008, 320 p. (In Russian)
2. Suslov A.G. Kachestvo poverkhnostnogo sloya detalei mashin [Quality of machine part surface layer]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2000. 320 p. (In Russian)
3. Blyumenshtein V.Yu., Smelyanskii V.M. Mekhanika tekhnologicheskogo nasledovaniya na stadiyakh obrabotki i ekspluatatsii detalei mashin [Mechanics of technological inheritance at the stages of machine part processing and operation]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2007, 399 p. (In Russian)
4. Zaides S.A., Emel'yanov V.N., Popov M.E. Deform-iruyushchaya obrabotka valov [Deformation machining of shafts]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2013. 452 p. (In Russian)
5. Zaides S.A., Ngo K.K. New technological potentialities of finish-strengthening by surface plastic deformation. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. [Science inten-
Критерии авторства
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.
Статья поступила 20.11.2017 г.
sive technologies in mechanical engineering]. 2017, no. 3, pp. 25-30. (In Russian)
6. Zaides S.A., Ngo K.K. Increasing the stress state in the deformation zone for cylindrical parts under surface plastic deformation. Izvestie vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building]. 2017, no. 5, pp. 52-59. (In Russian)
7. Prikhod'ko V.M., Petrova L.G., Chudina O.V. Metallofizi-cheskie osnovy razrabotki uprochnyayushchikh tekhnologii. [Metal-physical basis for hardening technology development]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2003, 384 p. (In Russian)
8. Smelyanskii V.M. Mekhanika uprochneniya detalei poverkhnostnym plasticheskim de-formirovaniem [Mechanics of part hardening by surface plastic deformation]. Moscow: Machine Building Publ., 2002, 300 p. (In Russian)
Authorship criteria
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.
The article was received 20 November 2017
