УДК 621.787.4
Комбинированные и совмещенные технологии упрочнения штоков гидроцилиндров и валов
редукторов горных машин
КузГТУ
Метод поверхностного пластического деформирования (ППД) обеспечивает высокие показатели качества поверхностного слоя и, соответственно, высокую долговечность упрочняемых деталей машин. ППД успешно применяется как при изготовлении, так и в процессах ремонта цилиндрических деталей горных машин, к числу которых относят штоки гидроцилиндров шахтных крепей, валы редукторов приводов и др. Метод прост в реализации, обеспечивает шероховатость поверхности на уровне 
, высокий упрочняющий эффект – глубину упрочнения 
, степень упрочнения в зависимости от свойств конструкционного материала 
, высокий уровень сжимающих остаточных напряжений.
На кафедре технологии машиностроения КузГТУ разработаны способы и технологии ППД, а также комбинированные и совмещенные с ППД процессы. В основу процессов положены закономерности механики технологического наследования (ТН) свойств поверхностного слоя по операциям механической обработки и стадиям эксплуатационного нагружения деталей машин [1]. Показано, что учет ТН позволяет создавать такие схемы нагружения, которые обеспечивают в очаге деформации при обработке и/или эксплуатации высокий уровень гидростатики (среднего нормального напряжения). Сжимающие напряжения позволяют детали воспринимать существенно большие пластические деформации без признаков разрушения материала, что повышает упрочняющий эффект обработки.
Комбинированная технология ППД закаленных сталей предложена для упрочнения и снижения массы валов редуктора привода буровой машины [2]. В действующем производстве технология обработки вала-шестерни из стали 20Х2Н4А включает токарные операции, зубонарезание, поверхностную химико-термическую обработку – цианирование и закалку ТВЧ, шлифование. Цианированный слой после закалки имеет высокую твердость и высокие эксплуатационные свойства – износостойкость и предел выносливости. В целом принятая на предприятии технология обеспечивает требуемое качество поверхностного слоя. Однако после выполнения химико-термических операций в сочетании с последующим шлифованием в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения. При совместном действии в поверхностном слое эксплуатационных, как правило, растягивающих напряжений и растягивающих остаточных напряжений существенно снижается положительный эффект от упрочнения в отношении усталостной долговечности. Исследования показали, что снижение металлоемкости за счет уменьшения диаметров шеек вала и одновременное повышение сопротивления детали разрушению при установленных закономерностях эксплуатационного нагружения может быть достигнуто путем применения комбинированного упрочнения деталей. С этой целью применили поверхностную химико-термическую обработку с последующим поверхностным пластическим деформированием (ППД), что позволило сохранить положительные свойства термообработки с одновременным снижением шероховатости, созданием в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и увеличением прочности при действии статических и циклических нагрузок. В итоге при обработке ППД закаленного материала произошло увеличение предела прочности и предела выносливости на 25%. Показано, что комбинированное упрочнение даже при уменьшении диаметров шеек вала-шестерни на 10-30% и массы в 1,5-2,0 раза обеспечивает коэффициенты запаса статической прочности и по пределу выносливости на уровне выше требуемых.
Способ размерного совмещенного обкатывания (РСО) учитывает явление пластического волнообразования, свойственное методу ППД. РСО осуществляется с большими натягами деформирующих инструментов; благодаря их жесткой установке и оригинальной схеме удаления припуска, процесс РСО существенно повышает размерную и геометрическую точность обработки и характеристики качества поверхностного слоя. Разработаны и исследованы две схемы РСО [3-4].
По первой схеме РСО обкатывание осуществляется двумя или тремя роликами, жестко настроенными на определенный размер обработки детали. Принципиальным является то, что в зону волнообразования помещена резцовая пластина, частично или полностью удаляющая пластическую волну. Натяги деформирующих роликов существенно, примерно 5-20 раз, превышают принятые для ППД и достигают величин 
. При этом разрушения поверхности не происходит вследствие удаления резцом части металла в районе пластической волны, в которой произошло накопление наибольших деформаций. Функции размерообразования выполняют деформирующие инструменты; точность обработки определяется величиной расчетного натяга.
При обработке по второй схеме РСО резец настроен таким образом, что удаляет слой металла толщиной 
, а ролики оказываются автоматически установленными на равномерную величину натяга.
Испытания РСО на широком круге конструкционных материалов (сталь 45, 
; нержавеющая сталь 12Х18Н10Т 
; шарикоподшипниковая сталь ШХ15, 
и другие) показали возможность достижения глубины упрочнения до 10,0 мм при степени упрочнения материалов до 100%. После обработки РСО в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения, распространяемые на значительную глубину.
Можно констатировать, что РСО позволяет накапливать большие, чем при ППД, деформации без разрушения поверхностного слоя при больших глубинах распространения пластической деформации. Электронно-микроскопические исследования обработанных поверхностей показали, что во всех случаях разрушение поверхности отсутствует, несмотря на значительные изменения технологических режимов РСО.
Станок для размерного совмещенного обкатывания создан на базе токарно-винторезного станка и осуществляет поверхностное пластическое деформирование с большими натягами деформирующих инструментов [3]. Срезание пластической волны осуществляется резцом, оснащенным твердосплавной пластиной. Продукты резания удаляются смазывающе-охлаждающей жидкостью, подаваемой под давлением в зону обработки. Ролики настраиваются на определенный натяг, устанавливаемый из условия обеспечения размера обкатанной детали. Станок предназначен для упрочняюще-чистовой обработки изделий класса «валы», работающих в условиях больших контактных и циклических нагрузок: валов, осей, штоков гидроцилиндров, плунжеров и др.
Разработаны и исследованы процессы упрочнения деталей специальным мультирадиусным инструментом [5-6].
Профиль ролика представляет собой комбинацию 4-х последовательно расположенных инденторов, расположенных относительно друг друга с некоторым смещением в радиальном направлении.
Деформирующий элемент первым входящий в контакт с исходным (необработанным) поверхностным слоем детали имеет некоторый профильный радиус и перемещается относительно поверхности со скоростью подачи и некоторым натягом. Второй деформирующий элемент также имеет некоторый профильный радиус и радиальное смещение относительно 1-ого элемента в направлении от оси ролика на некоторую величину. Третий деформирующий элемент, как и предыдущие, имеет свой профильный радиус и радиальное смещение относительно 2-ого элемента в направлении от оси ролика на величину. И, наконец, четвертый деформирующий элемент также имеет определенный профильный радиус и некоторое радиальное смещение относительно 3-ого элемента в направлении к оси ролика. В результате металл поверхностного слоя детали при обработке таким деформирующим инструментом, находясь в условиях сложного напряженного состояния, испытывает пластическую деформацию с неоднократной сменой ее знака, что приводит к частичному восстановлению запаса пластичности металла в зонах смены знака деформации.
Результаты исследований показали, что при обработке роликом представленной конструкции накопление деформации и исчерпание запаса пластичности происходит волнообразно, число и расположение «волн» соответствует числу деформирующих элементов. Исследования упрочнения показали, что данная конструкция профиля рабочей части обкатного ролика позволяет накапливать большие значения деформаций без разрушения поверхностного слоя. В свою очередь, больший упрочняющий эффект обеспечивает большую износостойкость и усталостную долговечность цилиндрических деталей.
Список литературы
1. Blumenstein V. Mechanics of technological inheritance // International journal for science and innovations for the industry Innovations in discrete productions issue/ / Year III, Issue 2/2015, Sofia / ISSN 1314-8907 – 2015/ – №2, pp 18-21.
2. Блюменштейн, В. Ю., Гергал, металлоемкости и повышение качества валов редуктора бурового станка на основе совершенствования технологии изготовления // Обработка металлов. – 2008. – №3(40). – С. 13-17.
3. Блюменштейн, для размерного совмещенного обкатывания. Каталог научно-технических разработок / Под ред. ; Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2000. – С. 12-13.
4. Блюменштейн, В. Ю., Махалов, поверхностного слоя при обработке размерным совмещенным обкатыванием // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2006. – №2. – С. 18-26.
5. Пат. 2557377 Российская Федерация, МПК В24В 39/04 (2006.01). Ролик обкатной мультирадиусный [Текст] / , , ; заявитель и патентообладатель КузГТУ. – № 000/02; заявл. 30.07.2013 ; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.
6. Блюменштейн, обеспечение деформационных параметров при обработке ППД мультирадиусным роликом // Ползуновский альманах. – Барна2. – №1. – С. 142-144.
