О совершенствовании технологии упрочнения валов накатыванием
Зелинский В.В. (МИ ВлГУ, г. Муром, РФ)
In this article results theory and practice of study of process hardening of rollers are presented.
Практика применения тороидальных роликов показала, что при накатывании валов, тем более при обеспечении глубокого наклепа, в наружных слоях детали часто образуются микротрещины, надрывы и другие повреждения. В связи с этим, рекомендуют проводить после накатывания (или совместно с ним) дополнительную механическую обработку упрочненной поверхности точением, направленную на удаление наружного слоя определенной толщины с дефектами. Проведение такой обработки нерационально, так как при этом – а) увеличивается число операций механической обработки, б) уменьшается толщина упрочненного слоя, в) повышается высота микронеровностей, что приводит к ухудшению параметров опорной кривой (снижению несущей способности поверхности), увеличению концентрации напряжений и т.п.
В связи с этим исследовались следующие вопросы:
1) изучение причин образования дефектов в поверхностном слое при накатывании,
2) совершенствование конструкции деформирующего ролика, обеспечивающего ППД с пониженной вероятностью образования дефектов,
3) определение эффективных с позиций упрочнения режимов накатывания на основе аналитического моделирования и экспериментов.
При накатывании в зоне контакта ролика с валом возникает локальный очаг деформации (ОД). Традиционно считается, что размеры и форма ОД определяются, главным образом, двумя факторами: радиусом R рабочего профиля ролика и радиальным усилием F прижатия ролика к валу. Однако рассматривая процесс деформирования в общей постановке становится ясным, что фактор F не может считаться объективным, так как одно и то же усилие для материалов с разными механическими свойствами вызывает разные деформации и, следовательно, разные размеры и форму ОД. В данном случае, за фактор следует принимать не усилие, а глубину внедрения а ролика в тело вала (величину натяга).
При движении ролика вдоль оси вала перед ним образуется волна вспучивания, размеры которой зависят от R и а. При этом степень деформации поверхностного слоя, главным образом, связана с очертанием волны вспучивания. Установлено, что разрушения развиваются в ее вершине. При этом образовавшаяся наружная трещина закатывается роликом, становясь внутренним дефектом поверхностного слоя. Эта поврежденность частично может залечиваться, но оставшаяся часть будет определять эксплуатационные надежность и долговечность вала [1].
Анализ условий деформирования поверхностного слоя для различных площадок в пределах дуги контакта ролика с деталью в осевом сечении показал, что деформация материала вдоль этой дуги резко неоднородна.
При рассмотрении напряженного состояния в касательной плоскости выяснилось, что наибольшие растягивающие напряжения возникают в окружном направлении в сечении, проходящем через вершину волны вспучивания. При этом окружные деформации растяжения, обусловливающие появление трещины, из условия постоянства объема при пластическом деформировании, вызываются равновеликими осевыми деформациями сжатия. Критические деформации растяжения локализуются в вершине волны как в наиболее ослабленном сечении. Следовательно, для увеличения сечения волны в осевой плоскости ее склоны должны быть более пологи. А это можно обеспечить снижением угла между профилем ролика и деформируемой поверхностью вала (угла контакта) и его стабилизацией.
У тороидального ролика угол контакта наивысший в наружном слое ОД, и становится тем больше, чем меньше радиус профиля ролика и больше натяг.
В свете изложенного более совершенным является ролик с конической рабочей поверхностью, обеспечивающий более однородную деформацию благодаря постоянству угла контакта.
При поиске эффективных по показателям упрочнения режимов накатывания и конструктивных параметров ролика традиционно используется эмпирический путь. Однако он не позволяет прогнозировать направление и уровень влияния отдельных факторов, затрудняет раскрытие общих закономерностей формирования параметров упрочнения, не обеспечивает использование ЭВМ для оптимизации технологии накатывания. Поэтому было применено аналитическое моделирование, основанное на физических закономерностях формирования упрочненного слоя с привлечением трибологического аспекта пластического деформирования.
Принципиально новым при этом явился учет фактора
трения ролика о заготовку. Локальный пластический контакт находится в условиях
комбинированного нагружения нормальной и касательной нагрузками, регламентированными
условием пластичности. Трение возбуждает на поверхности касательное напряжение,
достигающее 0,5 
( - истинный предел
текучести). Для толщины упрочняемого при накатывании слоя влияние касательного
напряжения такого уровня весьма существенно. Трение ролика о заготовку является
составной частью общей структуры процесса деформирования, имеющего частные и
общие признаки (законы трения и напряженно-деформированное состояние). При этом
условия трения не являются граничными условиями, они возникают на основе
самоорганизации [2].
Была разработана аналитическая модель процесса пластического деформирования, включающая нагруженный нормальной и касательной нагрузками конический индентор, перемещающийся в условиях вдавливания со скольжением по жесткопластическому полупространству, отвечающая всем признакам адекватности. В модели использовалась линеаризированная кривая упрочнения материала заготовки (сталь 40Х), имеющая в интервале величин деформаций до 0,4 (соответствующему накатыванию) достаточно пологое изменение.
На основе разработанной аналитической модели была
получена одна из формул в безразмерных параметрах, позволяющая выявить влияние
условий накатывания и способность материала к упрочнению на относительную
степень упрочнения 
в виде функции
, (1)
где
-
нормальное к поверхности вала напряжение, 
- угол контакта, 
- коэффициент контактного
трения, 
-
преобразованный безразмерный модуль упрочнения.
Для конкретного материала вала и принятых условий
смазывания очага деформации и постоянные величины. Поэтому решение
уравнения (1), являясь функцией двух аргументов, в трехкоординатной системе
представляет собой поверхность . Расчеты показали, что отношение 
прямопропорционально
глубине внедрения 
.
Экспериментальное определение при одном из сочетаний и позволило
установить коэффициент пропорциональности, удовлетворяющий всем точкам
поверхности и,
следовательно, всем сочетаниям и . На основании изложенного в уравнении
(1) является
аналогом глубины внедрения . Таким образом, при 
и 
уравнение (1) упрощается
к функции
. (2)
Экспериментальная оценка достоверности разработанной
аналитической модели проводилась с использованием конических роликов с углами
контакта 5, 10, 15 и 
при величинах натяга 0,25…1,75 мм. С
целью сравнительной оценки проводились опыты с тороидальным роликом.
Накатывались образцы валов из стали 40Х диаметром 60мм.
Для исключения влияния возможного изгиба вала от значительных усилий при больших натягах его свободный конец опирался о задний центр. Длина накатываемого участка составляла 60-70 мм. После накатывания испытуемый участок вала отделялся от заготовки (круга).
Степень упрочнения накатанных образцов оценивалась по приросту относительной микротвердости поверхности. Микротвердость измерялась с помощью микротвердомера ПМТ-3 по соответствующей методике.
В результате экспериментов достоверность модели подтвердилась и было установлено, что угол контакта и натяг существенно влияют на параметры упрочнения, а ролик с конической рабочей поверхностью по упрочняющей способности более эффективен, чем тороидальный (в 1,5…1,6 раза).
Результаты расчета по уравнению (2), а также
экспериментальные значения представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные значения
относительной степени упрочнения
|
№ образца |
|
|
|
|
Относительная погрешность расчета, % |
|
|
1 |
0,25 |
5 |
0,54 |
0,540 |
0,74 |
1,00 |
|
2 |
0,5 |
5 |
0,51 |
0,480 |
5,88 |
1,06 |
|
3 |
0,75 |
5 |
0,42 |
0,426 |
1,42 |
0,98 |
|
4 |
1,25 |
15 |
0,56 |
0,548 |
2,14 |
1,02 |
|
5 |
1,5 |
15 |
0,47 |
0,460 |
2,12 |
1,02 |
|
6 |
1,75 |
15 |
0,60 |
0,377 |
37,17 |
1,59 |
|
7 |
1,0 |
5 |
0,36 |
0,373 |
3,61 |
0,96 |
|
8 |
1,25 |
10 |
0,64 |
0,466 |
27,18 |
1,37 |
|
9 |
1,50 |
10 |
0,41 |
0,393 |
4,15 |
1,04 |
|
10 |
1,25 |
20 |
0,58 |
0,601 |
3,62 |
0,96 |
|
11 |
1,50 |
20 |
0,51 |
0,504 |
1,18 |
1,01 |
|
12 |
1,0 |
20 |
0,70 |
0,705 |
0,714 |
0,99 |
|
13 |
1,0 |
10 |
0,52 |
0,543 |
4,42 |
0,96 |
Видно, что 11 из 13 опытных результатов практически совпали с результатами расчета.
Работа выполнялась в рамках хоздоговорной НИР, заказчик «Горьковская железная дорога – филиал ОАО «Российские железные дороги».
Литература
1. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с.
2. Макушок Е.М. Основные направления развития механики трения // Трение и износ, №3, Т.16, 1995, с. 416 – 427.