CC BY
8УДК 621.78
УЛУЧШЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБКАТЫВАНИИ С
ГИДРОПРИВОДОМ ВВЕДЕНИЕМ НАНОУГЛЕРОДОВ В ЗОНУ
ОБРАБОТКИ.
В.Н. Беляев, А.С. Жарков, Е.Ю. Татаркин
Исследовано влияние алмазоуглеродных (наноуглеродных) частиц детонационного синтеза на шероховатость и твердость поверхностного слоя деталей при обкатывании с гидроприводом. Установлены зависимости параметров качества поверхностного слоя от режимов обработки и количества алмазоуглеродных частиц в рабочей жидкости.
Ключевые слова: обкатывание с гидроприводом, наноуглероды, шероховатость, твердость, поверхность.
Введение
Одним из методов повышения качества поверхностного слоя деталей является поверхностно-пластическое деформирование слоя при обкатывании, при котором усилие деформирования обеспечивается деформирующим шаром, воздействующим на деталь под давлением рабочей жидкости от гидростанции - обкатывание с гидроприводом (рисунок 1). При данном методе разделение поверхности деформирующего шара и обрабатываемой детали слоем рабочей жидкости может обеспечить [1]:
- наличие в очаге деформации высокого гидростатического давления, обеспечивающего улучшение условий пластического истечения и свойств материалов;
- уменьшение сил трения между металлом и инструментом;
- повышение равномерности деформации изделия;
- при наличии квазигидростатического давления создание более благоприятных условий для протекания сдвиговых деформаций;
- обеспечение условий для залечивания пор и дефектов в поверхностном слое деталей.
Из литературных источников известно, что изменения процесса фрикционного контакта пар трения можно достичь введением в смазочные материалы модификаторов трения, в качестве которых используют органические добавки, порошки металлов и неметаллов (графит, дисульфид молибдена, медь и др.). Одним из видов твердых антифрикционных материалов, эффективно влияющих на процессы трения, являются алмазоуглерод-ные порошки детонационного синтеза [2], представляющие собой агломераты с разме-
ром первоначальных частиц 4 - 20 нм (рисунок 2).
Рисунок 2 - Алмазоуглеродные частицы детонационного синтеза
Отсутствие информации о влиянии режимов обкатывания и состава рабочей жидкости, содержащей алмазоуглеродные порошки, на шероховатость и твердость обработанной поверхности определило актуальность исследований в данной области.
Методы и средства исследований
В качестве матрицы рабочей жидкости использовалось индустриальное масло И-
40А. Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20Ф3 при варьировании: подачи инструмента от 0,05 до 0,2 мм/об., скорости обработки от 40 до 165 м/мин., давлении в гидросистеме от 3 до 5 МПа, концентрации ал-мазоуглеродных частиц (наноуглеродов) в рабочей жидкости от 0 до 1% масс. Исследования проводились на роликах из стали 45 ГОСТ 1050-88.
Оценка шероховатости проводилась профилографом-профилометром модели 250 завода «Калибр» в соответствии с ГОСТ 19300-86. Также топография и шероховатость поверхности изучалась на приборе Zygo NewViewTM 730. Измерение твердости по Виккерсу проводилось в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 и ГОСТ 8.063-2007 при помощи твердомера Константа ТУ.
В качестве наноуглеродных частиц использовался продукт УДАГ-С производства ОАО «ФНПЦ «Алтай», характеристики которого приведены в таблице 1.
Результаты и обсуждения
Проведенные исследования, оценка и обработка полученных результатов, в том числе топографий поверхности (рисунок 3), позволили получить зависимости шероховатости поверхностного слоя от режимов обработки деталей обкатыванием с гидроприводом при введении наноуглеродов в зону обработку, представленные на рисунках 4 - 6.
0.4
О -I-1-1-1-1-
О 0.2 0.4 0.6 0.8 Сну. % 1
- - - Б=0,05 мм/об., У=40 м/мин., Р=4 МПа
-Б=0,05 мм/об., У=40 м/мин., Р=5 МПа
Рисунок 4 - Зависимость шероховатости поверхности от концентрации наноуглеродов
Анализ полученных топографий поверхности показал, что наличие наноуглеродов обеспечивает формирование при поверхностно-пластическом деформировании поверхности с меньшей шероховатостью, большей опорной площадью неровностей.
Таблица 1 - Свойства УДАГ-С
Свойства Значение Метод измерения
Размер первичных частиц, нм 4 - 20 Рентгено-фазовый анализ
Размер агломератов, нм 4 - 600 Сканирующий электронный микроскоп
Плотность, г/см3 2,7±0,1 Пикнометрия
Удельная поверхность, м2/г 440±30 Метод БЭТ
Содержание алмазной фазы, % 25,0 -50,0 Химический анализ
Массовая доля несгораемых примесей в твердой фазе, %, не более 5,0 Метод сжигания
УЛУЧШЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБКАТЫВАНИИ С ГИДРОПРИВОДОМ ВВЕДЕНИЕМ НАНОУГЛЕРОДОВ В ЗОНУ
ОБРАБОТКИ
- - - V=165 м/мин., Р=5 МПа, СНУ=0% масс.
-V=165 м/мин., Р=5 МПа, СНУ=1% масс.
Рисунок 5 - Зависимость шероховатости поверхности от подачи инструмента
Полученные данные показывают, что увеличение концентрации частиц в рабочей жидкости приводит к уменьшению шероховатости обработанной поверхности, что можно объяснить увеличением числа смятий элементами алмазоуглеродных частиц неровностей при течении жидкости с частицами относительно обрабатываемой поверхности. Из рисунка 4 следует, что при эксперименте еще не достигнут оптимум концентрации, после которого следует ожидать увеличения шероховатости в связи с достижением так называемого «сухого трения» при недостаточном количестве жидкого компонента в зоне деформации. При увеличении подачи увеличивается расстояние между вершинами выступов обрабатываемых неровностей за счёт уменьшения кратности приложения давления на единицу площади очага деформации, что приводит к снижению уровня пластической деформации из-за уменьшения воздействия деформирующего шара на выступы неровностей. Влияние подачи на шероховатость обработанной поверхности связано с тем, что при обработке происходит пластическое течение металла не только в направлении подачи (прямое пластическое течение), но и в обратном направлении (обратное пластическое течение) [3]. Следствием обратного пластического течения является подъём металла во внеконтактной зоне после деформирующего шара и образование в связи с этим новых неровностей RaK0H. С увеличением подачи увеличивается значение RaK0H и образуется винтовой след на обрабатываемой поверхности. Оба эти фактора ведут к увеличению шероховатости. Увеличение шероховатости обработанной поверхности при увеличении подачи объясняется ещё и тем, что увеличение подачи вызывает увеличение осевой составляющей усилия РХ и уменьше-
ние радиальной составляющей РУ. Изменение режимов обработки в сторону увеличения отношения РХ РУ приводит к увеличению пластической деформации металла в осевом направлении (в том числе и в обратном направлении с образованием увеличенного значения (^эКОН) и к снижению пластической деформации в радиальном направлении.
В исследуемом диапазоне увеличение давления рабочей жидкости в гидросистеме приводит к больше деформации металла и снижению шероховатости обработанной поверхности. Скорость обработки практически не влияет на значения шероховатости (рисунок 6).
- - - Б=0,05 мм/об., Р=5 МПа, СНУ=0% масс.
-Б=0,05 мм/об., Р=5 МПа, СНУ=1% масс.
Рисунок 6 - Зависимость шероховатости поверхности от скорости обработки
Полученные зависимости твердости поверхностного слоя от режимов обкатывания с гидроприводом представлены на рисунках 7 -9.
О 0,2 0,4 0,6 0,8 Сну. % 1
- - - S=0,05 мм/об., V=165 м/мин., Р=4 МПа S=0,05 мм/об., V=165 м/мин., Р=5 МПа
Рисунок 7 - Зависимость твердости от концентрации наноуглеродов
Введение наноуглеродов в зону деформирования металла приводит к возрастанию твердости поверхностного слоя, что можно объяснить локализацией сдвиговых напряжений в тонком слое и увеличением нормальных напряжений, обеспечивающих большее
сжатие неровностей и упрочнение металла [4].
О 0.05 0.1 0.15
- - - У=165 м/мин., Р=5 МПа, СНУ=0,6% масс. -У=165 м/мин., Р=5 МПа, СНУ=0% масс.
Рисунок 8 - Зависимость твердости поверхности от подачи инструмента
Увеличение давления рабочей жидкости обеспечивает большую пластическую деформацию металла и упрочнение материала, как следствие возрастание твердости поверхностного слоя.
Выводы
1. Практически показана эффективность введения наноуглеродов в рабочую жидкость при обкатывании с гидроприводом, что обеспечивает улучшение параметров качества поверхности деталей;
2. Установлены зависимости шероховатости и твердости поверхностного слоя от режимов обработки деталей обкатыванием с гидроприводом при введении различных концентраций наноуглеродов в зону деформации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Уменьшение твердости обработанной поверхности с увеличением подачи можно объяснить снижением кратности приложения нагрузки на обрабатываемую зону образца.
Проведенные исследования показали, что скорость обработки не оказывает значительного влияния на значения твердости поверхности деталей при обкатывании с гидроприводом (рисунок 9).
220
200 -I-1-1-1-
0 50 100 150 200
V, об/мин
- - - Б=0,05 мм/об, Р=5 МПа, СНУ=0,6% масс. -Б=0,05 мм/об, Р=5 МПа, СНУ=0% масс.
Рисунок 9 - Зависимость твердости поверхности от скорости обработки
1. Прозоров Л.В. Прессование металлов жидкостью высокого давления. М.: Машиностроение, 1972. 152 с.
2. Сакович Г.В. и др. Получение алмазных кластеров взрывом и их практическое использование // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1990. Т.35. №5. С.600-602.
3. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка металлов давлением. М.; Л.: Машгиз. 1963. 269с.
4. Колесников И.М., Гусев К.А. Механическое выглаживание поверхностей деталей. «Машиностроитель». №9. 1966. С. 11.
Беляев В.Н., к.т.н., доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО АлтГТУим. И.И. Ползунова, начальник лаборатории ОАО «ФНПЦ «Алтай» e-mail: [email protected]
Жарков А.С., член-корр. РАН, д.т.н., профессор, генеральный директор ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск,
Татаркин Е.Ю., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Общая технология машиностроения» ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползу-нова
e-mail: [email protected]
