Диха О.В.,
Хмельницький національний університет,
м. Хмельницький, Україна
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ НА ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ
Одним з перспективних методів підвищення зносостійкості поверхневих шарів деталей машин є технологічні способи основані на поверхнево-пластичній обробці.
Холодна пластична деформація дозволяє за рахунок збільшення щільності дислокацій, подрібнення кристалів на фрагменти і блоки в поверхневому шарі підвищити його твердість, межу міцності, зносостійкість, опір схоплюванню. Вона отримала широке застосування в практиці завдяки розробкам І. В. Кудрявцева, , та ін. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Розширити межі підвищення міцності металів можна, керуючи механізмом структурних перетворень при термічній обробці. На кінетику фазових і структурних перетворень істотно впливає недосконалість будови реальних кристалів, одним з основних способів створення яких є пластична деформація. Перспективи подальшого підвищення міцністних експлуатаційних характеристик деталей машин науковці бачать в поєднанні пластичної деформації і фазових перетворень, що притамане електромеханічній обробці (ЕМО) [11, 12, 13] .
Процес ЕМО полягає в тому, що в момент обробки пластичною деформацією через місце контакту інструменту з деталлю пропускається струм великої сили (200−1000 А) і низької напруги (1−10 В). При цьому поверхневий шар в місці контакту миттєво розігрівається до високої температури і одночасно піддається пластичній деформації з подальшим різким зниженням температури за рахунок інтенсивного відведення тепла в тіло деталі. Поєднання теплових і силових дій на поверхневий шар приводить до зміни його структури, твердості, шорсткості, що покращує експлуатаційні характеристики деталі. Специфічні умови при ЕМО сприяють утворенню в поверхневому шарі так званого «білого шару». Свою назву шар отримав за слабку травимість в звичайному 4% розчині HNO3 в спирті.
Аналіз структури білого шару допомагає розкрити його природу і розширює можливості використання ЕМО. Не дивлячись на те, що білий шар вже отриманий за різних умов контактної взаємодії пар (при терті ковзання, у випробуваннях на удар, при шліфуванні, ППД і т. д.), єдиної думки про його природу немає. Одна група учених дотримується дифузійно-хімічної гіпотези, за якою білий шар утворюється в результаті дифузії азоту в поверхневий шар з утворенням нітридної фази або кисню з повітря, або вуглеводу з основного металу і мастила [32, 33, 34]. Інша група дослідників дотримується термічної гіпотези утворення білого шару [16, 35, 27, 15, 28]. Одні з них вважають, що білим шаром є безструктурний мартенсит, що утворився при деформації високотемпературної фази, що зазнала поліморфне перетворення в наклепаному або частково рекристалізованому стані [15, 16]. Інші дослідники представляють цей шар як квазірівноважну аустенітно-мартенситну систему, твердість якої обумовлена спотворенням граток аустеніту через відмінності параметрів осередків спряження аустеніту та мартенситу [35, 36].
Багатообразність процесів, при яких виникає білий шар, наводить на думку про те, що причини виникнення його у кожному конкретному випадку різні. Переважання тих або інших факторів визначає характер утворення і, можливо, властивості білого шару. Цей висновок підтверджується тим, що білий шар був отриманий як в процесах і умовах, що виключають фазові перетворення [32], так і в процесах, що виключають дифузійні явища [16]. Утворення білого шару при ЕМО, як показує аналіз, йде в основному за рахунок термічних процесів.
Немає єдиної думки про склад білого шару навіть у дослідників, що дотримуються одного напряму щодо природи утворення цього шару. Наприклад, на думку учених, що підтримують термічну гіпотезу, цей шар складається: з мартенситу, аустеніту, перліту; або мартенситу і аустеніту, а за даними [16, 35, 36, 15] − лише з мартенситу.
Розглянемо вплив основних факторів ЕМО на фізико-механічні властивості поверхневих шарів оброблених деталей машин.
Встановлено, що на шорсткість оброблених поверхонь найбільший вплив мають початкові властивості оброблюваних матеріалів [14, 15]. За інших рівних умов ЕМО найменшу шорсткість поверхні мають деталі, матеріал яких мав більшу пластичність і меншу твердістю в початковому стані [16, 18, 17] . При обробці чавуну суттєвого покращання шорсткості поверхні не відбувалося [14, 19]. Дослідження показали, що ЕМО в порівнянні з шліфуванням і точінням дає більшу (відповідно на 30 % і 50 %) величину опорної поверхні, яка має визначальний вплив на несучу здатність шорсткого профілю [20, 21, 2, 22, 17].
Зносостійкість поверхневого шару суттєво залежить від розподілу в ньому залишкових напружень. При ЕМО в поверхневому шарі відбуваються структурні перетворення, які визначають характер дії залишкових напружень. Так мартенситна структура сталі, деформована при пониженій температурі, набуває збільшеного питомого об'єму в порівнянні з врівноваженою структурою і в поверхневому шарі виникають напруження стиску. При підвищеній температурі деформації мартенситні зерна набувають дрібнодисперсної структури їз збільшенням питомого об'єму, що обумовлює виникнення напружень розтягу [23, 24].
Вивчаючи вплив параметрів ЕМО на характер і величину залишкових напружень, дослідники [25, 26, 27, 28] встановили:
- у поверхневому шарі в залежності від режимів обробки та інструменту виникають як розтягуючі (20 ÷ 80 МПа), так і стискаючі (50 ÷ 100 МПа) залишкові напруження;
- глибина залягання напруженнь − 0,5 ÷ 0,9 мм;
- ймовірність виникнення розтягуючих напружень зменшується при застосуванні комбінованої обробки (обробка ППД до і після ЕМО) або ЕМО в два проходи.
Параметри ЕМО на рівень залишкових напружень впливають наступним чином:
1) збільшення сили струму викликає зменшення величини і глибини залягання напружень стиску;
2) із збільшенням тиску спостерігається перехід від напружень стискування до напружень розтягування внаслідок витягуванням розігрітих поверхневих шарів металу при контакті з нерухомим інструментом;
3) з підвищенням швидкості обробки глибина залягання напружень зменшується.
Розподіл мікротвердості і вплив режимів обробки на товщину зміцненого шару досліджувалися на мікрошліфах. Зразки для приготування мікрошліфів отримували із заготовок, підданих ЕМО. Спочатку на токарному верстаті з охолодженням рідиною відрізали диск товщиною 12 мм і розрізали по діаметру. Отримані зразки розміщали у спеціальній обоймі і заливали епоксидною смолою для запобігання завалів при шліфуванні. Робоча поверхня шліфувалась послідовно на крупно і дрібнозернистих кругах, притиралась по чавунній плиті і остаточно полірувалась пастою ГОИ на металевому диску, покритому сукном.
Підготовлені зразки піддавалися травленню в трипроцентному розчині азотної кислоти в спирті. Зміцнений шар відрізнявся у вигляді нетравленої білої смуги (рис. 1).
Мікротвердість і розподіл мікротвердості по перетину зміцненого шару визначалися за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3 з навантаженням на алмазну піраміду 0,98 Н. Дослідження структури і товщини зміцненого шару проводилося на металографічному мікроскопі при збільшенні від 100 до 500 разів візуально, а також по фотознімках, отриманих цифровою фотокамерою.
Рис. 1 − Структура поверхневого шару сталі 45 після ЕМО |
На мікрошліфах оброблених зразків зі сталі 45 (рис. 1) зміцнений шар виглядав білою смугою. Твердість зміцненого шару в порівнянні з початковою структурою для сталі 45 збільшилася в 2-2,7 разів. Тобто поверхневий шар, модифікований при комбінованій дії теплових, силових і інших факторів ЕМО, відрізняється підвищеною твердістю.
Результати дослідження розподілу твердості по товщині зміцненого шару викладені в цілому ряді робіт [14, 20, 27, 15, 31, 28]. Проведені дослідження мікротвердості на приладі ПМТ-3 (рис. 2) показують, як правило, зниження твердості в глибину поверхневого шару. Це пояснюється тим, що діючі фактори ЕМО мають найбільший вплив на поверхні і зменшують його із збільшенням відстані від поверхні зразка.
За результатами досліджень встановлено, що товщина зміцненого шару, його твердість залежать від наступних параметрів ЕМО: відносної швидкості обробки, сили притискання інструменту до заготовки, електричної потужності.
Зниження швидкості обробки сприяє росту товщини зміцненого шару по товщині при деякому зниженні поверхневої твердості [18, 27, 31, 28]. Характер зміни товщини і твердості при зменшенні швидкості обробки пов'язують із зміною кількості тепла: при зменшенні швидкості обробки поверхневий шар отримує більше тепла, що створює умови для фазових перетворень на більшій глибині.
Вплив швидкості обробки на товщину зміцненого шару проводився при зміні швидкості (частоти обертання заготовки) від 5 до 25 м/хв. При цьому спостерігалося зменшення товщини зміцненого шару у сталі 45 від 200 мкм до 50 мкм (рис. 3). Це пояснюється, як було вказано вище, тим, що за малих швидкостей в зону контакту потрапляє більша частка теплоти. При цьому кількість виділеного тепла і час контакту визначають товщину шару, що зазнав фазових перетворень, тобто білого шару.
Зміна сили притискання інструменту на деталь при ЕМО має незначний вплив на товщину і мікротвердість зміцненого шару [25, 27, 28]. При певних значеннях радіального тиску змінюється колір зміцненого поверхневого шару [16] зі світлого в темний. Останнє говорить про можливі відмінності в механізмі утворення поверхневого шару при ЕМО. В нашому випадку силу притискання ролика до поверхні заготовки змінювали ступінчасто від 250 до 1000 Н. Товщина зміцненого шару зросла при цьому незначно: від 100 до 150 мкм. Це свідчить про переважний вплив теплових факторів на інтенсивність фазових перетворень у білому шарі.
Рис. 2 − Розподіл мікротвердості в зміцненому ЕМО шарі |
Рис. 3 − Вплив ЕМО на товщину зміцненого шару сталі 45 в залежності від: 1 − швидкості обробки, 2 − радіальної сили, 3 − потужності обробки |
Вплив електричної потужності обробки при ЕМО досліджений в роботах [25, 14, 20, 15]. У них вказується, що з ростом величини струму збільшується як поверхнева мікротвердість, так і товщина зміцненого шару. При ЕМО нормалізованої сталі 40Х [16] з величиною струму 260 А максимальна товщина зміцненого шару склала 0,03 мм, а при 700 А − 0,1 мм. Мікротвердість змінилася відповідно на 160 і 485 одиниць за шкалою Віккерса. В проведених дослідження для сталі 45 збільшення електричної потужності від 2 КВт до 6 КВт призвело до зростання товщини зміцненого шару майже в 4 рази, від 50 мкм до 200 мкм (рис. 3). Збільшення мікротвердості і товщини зміцненого шару пояснюється тим, що при більшій величині струму виділяється більше тепла, яке, поширюючись в тіло заготовки, створює на більшій глибині умови для фазових перетворень. Вплив струму на товщину білого шару показаний на (рис. 3).
Висновок
В результаті аналізу літературних джерел і проведених лабораторних досліджень для зразків із сталі 45 визначений вплив основних параметрів електромеханічної обробки на товщину і твердість зміцненого поверхневого шару.
Література
1. Браславский глубины наклепа с учетом формы пластически деформированной поверхности. "Вестник машиностроения", 1977, № 4, 62−63 с.
2. Демкин Н, Б,, В, Качество поверхности и контакт деталей машин. М., Машиностроение, 1981, 244 с.
3. Калачев упрочнение металлов, Минск, "Наука и техника", 1980, 256 с.
4. , И, Поверхностный наклеп как средство повышения сопротивления малоцикловой усталости деталей машин. "Проблемы прочности", 1972, № 4, 22−24 с.
5. Мильман В, М., Танатаров влияния электромеханического метода упрочнения на долговечность. Ульяновск, Труды УСХИ, 1970, том 17, вып.1, 176−184 с.
6. Михайлов А, А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями, М., Машиностроение, 1981, 144 с.
7. Папшев деталей обкаткой. М., Машиностроение, 1978, 224 с.
8. Проскуряков упрочняюще − колибрующей и формообразующей обработки металлов, М., Машиностроение, 1971, 208 с.
9. М, Алмазное выглаживание. М., Машиностроение, 1972, 104 с.
10. Тимошенко СП., Войновский− Пластинки и оболочки. М., Физмат, 1973, 635 с.
11. Бернштейн и механические свойства металлов. М., Металлургия, 1970, 472 с.
12. И,, Нанашидзе В, Г. Основы классификации методов обработки поверхностным пластическим деформированием. Сб. "Резание и инструмент", Харьков, 1981, № 26, 149−152 с.
13. Кудрявцев состояние изучения и практического применения поверхностного пластического деформирования. Сб. "Повышение качества, надежности и долговечности деталей машин технологическими методами", Пермь, 1977, 5−7 с.
14. Аскинази электромеханическая обработка деталей машин. "Машиностроитель", 1971, № 9, 17 с.
15. Тимошенко Б, И. Упрочнение деталей электрокомбинированным методом. "Электронная обработка материалов", 1977, № 4, 82−84 с.
16. Аскинази и восстановление деталей электромеханической обработкой. Л., Машиностроение, 1979, 296 с.
17. В, и др. Контактная жесткость плоских стыков после электромеханической обработки. Сб. "Технология машиностроения", Брянск, 1973, 77−82 с.
18. , Веретенников цилиндров двигателей внутреннего сгорания электромеханическим методом. Сб. "Исследование и применение процессов электромеханической обработки металлов". Ульяновск, 1970, 137 − 150 с.
19. Черниговцев восстановления деталей неподвижных сопряжений электромеханическим методом. М., Труды ВСХИЗО, 1974, 31−36 с.
20. Бурдин В, В. и др. Влияние электромеханического способа упрочнения (ЭМО) на износостойкость стали 45. Сб. "Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности деталей машин и инструмента", Куйбышев, 1980, 78−82 с.
21. Джанилидзе электромеханического метода при восстановлении автомобильных поворотных цапф. Труды УСХИ, том 17, вып.1, 1970, 184−189 с.
22. , Аверченков легированных сталей электромеханическим методом. Сб. "Технология машиностроения". Брянск; 1973, 100−104 с.
23. , Изотов формоизменения зерна при ВТМО на прочность стали. "МиТМО",1981, № 9, 12−14 с.
24. Azrin М., Olson B.,Cula Е., Marley j. Soviet Progress in thermomechanical treatment of metals "J Appl. Metalwork", 1980, I, 2, 3−34 p.
25. М, Упрочняемость деталей машин электромеханической обработкой. "Вестник машиностроения", 1981, № 1, 19−21 с.
26. , Веретенников электромеханическая обработка чугунных цилиндров. Сб. "Исследование и применение процессов электромеханической обработки металлов", Ульяновск, 1970, 128−137 с.
27. и др. К вопросу о формировании поверхностного слоя в процессе электромеханической обработки. Сб."Научные труды Волгоградского политехнического института, 1979, № 9, 23−28 с.
28. Kalpokas J. Prispevek Kvyzkumu vlivu procesu elektromechanickeho zpevnei na zbytkovepnuti "Strojirenstvi", 1980, 30, I, 25−27 с
29. , Вигдорович металлов. М., Металлургия, 1972, 224 с.
30. и др. Коррозионно−усталостная прочность стальных труб после электромеханического упрочнения. Сб."Повышение качества, надежности и долговечности деталей машин технологическими методами". Пермь, ППИ, 1971, 10−11 с.
31. Цап качества поверхности и долговечности направляющих станков электромеханической обработкой. Сб. "Технология заготовительного и механосборочного производства". Краматорск, 1980, 93−99 с.
32. В, и др. Применение токарной обработки для поверхностной ТМО. Сб. "Прочность металла при циклических нагрузках". М., "Наука", 1977, 18−21 с.
33. Крагельский и др. Основы расчетов на трение и износ. М., Машиностроение, 1977, 286 с.
34. Лазаренко В, К., Прейс металлов. Киев, Машиностроение, 1970, 218 с
35. Ф, Тепловое состояние инструмента при электромеханической обработке. "Вестник машиностроения", 1972, № 12, 56−57 с.
36. Сафронов долговечности стальных цилиндров электромеханической обработкой: Дисс. ... канд. техн. наук.− М, 1984.− 186 с.
37. Павлов и технологическая оснастка электромеханического упрочнения валов сельскохозяйственных машин: Дисс. ... канд. техн. наук.− Пенза, 2008. − 152 с.
Надійшла 27.09.2009
