автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Упрочнение локальных участков поверхностей деталей вибрационно-центробежной обработкой

Державний університет «Львівська політехніка»

КУК АНДРІЙ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.787(063)

ЗМІЦНЕННЯ ЛОКАЛЬНИХ ДІЛЯНОК ПОВЕРХОНЬ ДЕТАЛЕЙ ВІБРАЦІЙНО - ВІДЦЕНТРОВОЮ ОБРОБКОЮ

05.02.0В - Технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів -1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор .

АФТАНАЗІВ Іван Семенович,

Державний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор КИРИЧОК Петро Олексійович,

Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технологія машинобудування”

кандидат технічних наук, доцент ТРЕТЬКО Віталій Віталійович,

Технологічний університет Поділля, доцент кафедри “Технологія машинобудування”

Провідна установа: Державний технічний університет ім.Івана Пулюя, кафедра “Технологія машинобудування”,

Міністерство освіти України, м.Тернопіль.

Захист відбудеться • /<? " 1998 р. о' годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.06 при Державному університеті "Львіська політехніка" за адресою 290646, Львів-13, вул. С.Бандери, 12,

ауд. 226 -

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" за адресою 290013, Львів-13, вул. Професорська, 1

Автореферат розісланий " ^^ і дд% р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Харченко Є. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення функціональних можливостей деталей машин неможливе без виконання на їх поверхнях конструктивних елементів у вигляді різноманітних канавок, галтелей, шліцьових та шпонкових пазів тощо, які, будучи концентраторами напружень, зменшують міцність деталі на ділянках їх розташування. З іншого боку, характерною особливістю розвитку сучасної техніки є дедалі більше зростання вимог до міцності деталей, які працюють в умовах динамічних навантажень, оскільки їх руйнування нерідко призводить до аварій та значних матеріальних збитків.

Оскільки зародження втомної тріщини та її подальше зростання, як правило, відбувається на поверхні конструктивного елемента чи в його приповерхневому шарі, то для підвищення міцності окремих частин деталі з концентраторами напружень необхідно застосовувати такі методи обробки, які дають змогу покращати фізико-механічні характеристики поверхневого шару та звести до мінімуму негативний вплив концентрації напружень. Існують десятки методів забезпечення тих чи інших властивостей матеріалу поверхневого шару деталі, але найефективнішими з точки зору отримання високої втомної міцності, на думку багатьох вчених, можна вважати методи поверхневого пластичного деформування (ППД).

Питанню зміцнення деталей різноманітними методами, в тому числі ППД, присвячені роботи таких вітчизняних та зарубіжних вчених і науковців, як Пап-шев Д.Д., Петросов В.В., Кудрявцев І.В., Олійник М.В, Риковський Б.П., Гавриш

А.П., Афтаназів І.С., Киричок П.О., Шнейдер Ю.Г. та інші. Однак зміцнення локальних ділянок поверхні (ЛДП) деталі з концентрацією напружень досліджено недостатньо. Не розроблено універсальних методів, які можна було б ефективно застосовувати при зміцненні ЛДП деталей різної форми та розмірів. У незначному обсязі розглянуті питання впливу енергії взаємодії деформуючих тіл з оброблюваною поверхнею на показники якості зміцнення. Не існує обладнання, на якому можна було б ефективно зміцнювати окремі ділянки різноманітних поверхонь деталей.

Отже, дана робота направлена на вирішення актуальної проблеми машинобудування - забезпечення міцності деталей з концентраторами напружень при мінімальних затратах на виготовлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались згідно з гослдоговірною тематикою Львівського політехнічного інституту з Каменськ-Уральським ливарним заводом ( держ. реєстрація № 01830049932, № 01850074321, № 01880021180) та держ. бюджетними темами “Профіль” і “Концентратор” (відповідно до держ. реєстрац. № 0194У029635 і № 0198У002331).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - розробка ефективного методу, визначення та обгрунтування параметрів процесу зміцнення різноманітних за формою та розмірами локальних ділянок поверхонь деталей з концентраторами напружень.

Для реалізації мети в роботі були поставлені такі задачі:

1. Дослідженя можливості ефективного застосування вібраційно-відцентрової обробки деталей з конценраторами напружень;

2. Встановлення залежності для визначення енергії ударної взаємодії інструмента з оброблюваною деталлю;

3. Теоретичне та експериментальне дослідження впливу основних параметрів обробки на показники якості зміцнення поверхні;

4. Дослідження впливу питомої енергії деформування на показники якості зміцнення деталей з концентраторами напружень.

5. Розробка обладнання для зміцнення ЛДП деталей.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено ефективний метод зміцнення ЛДП деталей вібраційно-відцентровою обробкою, який грунтується на використанні динамічної дії інструмента, та спорядження для його реалізації при обробці різноманітних за формою та розмірами поверхонь деталей.

1. Теоретичним дослідженням динаміки обкатного елемента отримано математичні залежності для розрахунку;

- енергії його ударної взаємодії з оброблюваною поверхнею деталі;

- товщини пластично деформованого поверхневого шару при зміцненні поверхонь деталей подвійної кривизни;

- необхідного часу проведення процесу зміцнення.

3. Визначено і експериментально досліджено основні технологічні параметри процесу зміцнення ЛДП деталей (частота та амплітуда коливань привідного тіла, маса обкатного елемента та час обробки) та їх вплив на показники якості зміцнення (товщину зміцненого шару, поверхневу мікротвердість, шорсткість оброблених поверхонь, залишкові напруження).

4. З'ясовано вплив питомої енергії деформування на показники якості зміцнення деталей, визначено її оптимальні значення.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені конструктивні схеми пристроїв для застосування даного методу при зміцненні різноманітних за формою та розмірами конструктивних елементів деталей, їх внутрішніх та зовнішніх поверхонь. .

Отримано залежності для прогнозування товщини зміцненого шару та часу обробки, визначено оптимальні величини технологічних параметрів процесу зміцнення та питомої енергії деформування при обробці сплавів кольорових металів та сталей, які можуть застосовуватися при проектуванні оздоблювально-викінчуючих технологічних операцій.

З врахуванням результатів теоретичних та експериментальних досліджень

з

було спроектовано, виготовлено і впроваджено на Каменськ-Уральському ливарному заводі 5 вібраційних машин для зміцнення конструктивних елементів барабанів, реборд, боковин та стяжних болтів авіаційних коліс, а також дисків автомобільних коліс.

Особистий внесок здобувачя полягає в тому, що автором безпосередньо розроблено ефективний метод зміцнення ЛДП деталей, розроблено експериментальне обладнання, проведено експериментальні дослідження впливу технологічних параметрів на показники якості обробки, опрацьовано результати досліджень, розроблено конструкції машин та пристроїв і впроваджено їх у виробництво для зміцнення конструктивних елементів деталей.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Всеросійській студентській науковій конференції "Конструирование и производство сельскохозяйственного оборудования", Ростов-на-Дону, 1981 р.; Регіональному науково-технічному семінарі "Опыт внедрения в промышленное производство вибрационных процессов обработки из-* делий на предприятиях машиностроения и приборостроения", Львів, 1984 р.; Науково-технічній конференції "Прогрессивные методы отделочной обработки деталей машин и приборов", Пенза, 1986 р.; Тринадцятій конференції молодих вчених, ФМІ АН УРСР, Львів, 1987 р.; Науково-технічній конференції "Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей машин и приборов", Ростов-на-Дону, 1988 р.; Регіональних науково-технічних семінарах "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях", Ростов-на-Дону, 1989 р. та Полтава, 1990 р.; 2-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у м. Львові, 1995 р.

Публікації.. Основний зміст роботи викладений у 9 статтях в збірниках наукових праць, тезах конференцій та симпозіуму, а також у 3 авторських свідоцтвах, отриманих за тематикою проведених досліджень.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 147 сторінках, складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел зі 109 назв, містить 40 рисунків і 8 таблиць, а також додатки наі8 сторінках. Загальний обсяг роботи - 226 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ ■

Обгрунтовано актуальність проблеми забезпечення міцності деталей з концентраторами напружень при мінімальних затратах на їх виготовлення, доцільність використання поверхневого пластичного деформування для зміцнення локальних ділянок їх поверхонь, мету та задачі досліджень, окреслено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Наведено основну інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

Стан питання зміцнення поверхонь деталей з концентраторами напружень .

Проведено огляд літературних джерел стосовно впливу конфігурації деталі на її міцність, аналіз існуючих методів зміцнення деталей на предмет їх можливого застосування для зміцнення окремих частин деталі. Проаналізовано методи поверхневого пластичного деформування, що використовується при обробці конструктивних елементів деталей машин, в тому числі динамічного характеру.

Сформульовано мету та задачі досліджень.

Метод зміцнення ЛДП деталей вібраційно-відцентровою обробкою.

Описаний метод пластичного деформування ЛДП деталей вібраційно-відцентровою обробкою, суть якого полягає ось у чому. На платформу 1 жорстко кріплять оброблювану деталь (рис. 1). Навпроти оброблюваної поверхні на опорах кочення платформи 1 розташовують масивний обкатник 3 з деформуючими тілами 4. Обкатник 3 встановлено так, щоб було можливе переміщення в площині, перпендикулярній до осі деталі. Деформуючі тіла 4 виконані, наприклад,

у вигляді роликів з радіусом заокруглення, який відповідає радіусу впадини оброблюваного конструктивного елемента. Розташовані вони на обкатнику рівномірно по колу з можливістю обертання навколо своєї осі. Твердість матеріалу деформуючих тіл повинна бути вищою від твердості матеріалу деталі.

Платформі надаються коливання певної частоти та амплітуди в площині, яка перпендикулярна до осі оброблюваної деталі. Під дією цих коливань, вільно встановлений обкатник вступає в обкатку по оброблюваній поверхні. У будь-який момент часу деталь контактує з одним із деформуючих тіл. Контакт з кожним наступним відбувається з ударом, причому тілами, що співударяються, виступають сама деталь та масивний обкатник. Наявність такої взаємодії

г Я

24 3 1

Рис. 1. Принципова схема методу зміцнення ЛДП деталей вібраційно-відцентровою обробкою

деталі з обкатником при їх ударі через деформуючі тіла призводить до розвитку в поверхневому шарі матеріалу деталі в місці їх контакту великих контактних напружень, в результаті чого матеріал деталі пластично деформується, зміцнюється. Обертання обкатника навколо своєї осі сприяє рівномірному покриттю , слідами співударянь всієї оброблюваної поверхні деталі, тобто рівномірному ії зміцненню. У загальному випадку сліди співударянь на зміцнюваній поверхні деталі будуть мати вигляд окремих еліпсоподібних вм'ятин із шорсткістю, яка відповідає шорсткості робочої поверхні деформуючих тіл.

При необхідності зміцнення декількох конструктивних елементів на платформу встановлюють рівну їм кількість обкатників з деформуючими тілами. Завдяки тому, що обкатники розташовані окремо один від одного, є можливість одночасного зміцнення різних за формою поверхонь деталі. Застосування розробленого методу зміцнення конструктивних елементів, розташованих на внутрішній поверхні деталі, зводиться до того, що обкатник встановлюють на платформі всередині деталі.

При одночасній обробці зовнішніх та внутрішніх поверхонь обкатники розташовують навпроти оброблюваних поверхонь, відповідно ззовні та всередині деталі. Розроблено принципові схеми зміцнення зовнішніх та внутрішніх ЛДП деталей з різноманітними за формою конструктивними концентраторами напружень, наведена їх класифікація.

Наведено залежність для розрахунку енергії удару обкатного елемента при його взаємодії з оброблюваною поверхнею деталі:

Е=шю2ке, (1)

де ш - маса обкатного елемента; СО =2ЯҐ - кутова частота коливань привідного тіла; Г частота коливань привідного тіла;

ке =

( 1___________________1 ^

-5Іп2(л/п) 4.1-т02 у

коб. =1-2тс/(осд-п) - коефіцієнт

співвідношення частот обертання та коливання обкатника; ад - кут, що утворюють на поверхні деталі деформуючі тіла, при контактуванні з нею; п -кількість рівномірно встановлених на обкатнику на діаметрі - деформуючих тіл; І - момент інерції обкатного елемента.

Як показали результати теоретичних досліджень переміщень обкатного елемента, величина енергії, що розвиває обкатник при застосуванні розробленого методу зміцнення, практично не залежить від маси деформуючих тіл чи оброблюваної деталі. Вона визначається частотою коливань привідного тіла, масою та конструктивними параметрами самого обкатника, який в даному випадку виконує роль інструмента. Оскільки в разі потреби зміна, наприклад, в бік збільшення частоти коливань привідного тіла, маси чи інших параметрів обкатника, не викликає ніяких туднощів, то практично необмеженою може бути енергія, яку здат-

ний передавати обкатний елемент оброблюваній поверхні деталі, забезпечуючи при цьому належну якість зміцнення. Тому розроблений метод, з точки зору своїх енергетичних можливостей, вигідно відрізняється від інших існуючих методів ППД і може ефективно використовуватися при обробці різноманітних за формою та розмірами ЛДП деталей з концентраторами напружень.

У результаті проведених теоретичних досліджень встановлено залежність для прогнозування товщини зміцненого шару Ь та часу обробки Т поверхонь деталей подвійної кривизни при їх вібраційно-відцентровій обробці:

Т = rarcsin { гл sin—1, (3)

тс-kn-k2-f-а-b ^Бд+Бо.т п)

де кв = 1 — 0,5-(1 — b / а)4 - коефіцієнт форми відбитку; кг - коефіцієнт збільшення відбитку; ^ = Нд/НВ - коефіцієнт динамічної твердості матеріалу деталі; кт-НВ/(2ст) - коефіцієнт твердості;

Dnp=—р--------- = - і = ■ ==■= = = .- - приведений діаметр контактуючих

yj[ 1 / Do т. ± 1 / Da ] • [1 / (2г) ± 1 / (2R)]

поверхонь; Dot. і г - відповідно діаметр та радіус профілю деформуючого тіла; Da, R і 1 - відповідно діаметр, радіус профілю та ширина оброблюваної поверхні деталі; z -кількість повторних ударів, кп - коефіцієнт перекриття відбитків; а і b

- розміри відповідно великої та малої півосей еліптичного відбитка: а • b = д/2Е • Dnp / (я • £ • НВ) .

Встановлено, що товщина отриманого пластично деформованого шару та час обробки залежать від матеріалу, з якого виготовлена деталь, та його фізико-механічних властивостей (НВ, к2, кт, ^), і обумовлюються величиною енергії, яка надана поверхні завдяки ударній взаємодії обкатника з деталлю.

О'бскт досліджень та методика проведення експериментів Як об'єкт досліджень використовували виготовлені із конструкційних сталей (сталь 45, 40ХН, 40ХН2МА) та сплавів кольорових металів (АК6, МЛ12) лабораторні зразки циліндричної форми з концентратором напружень, виконаним у вигляді кільцевої канавки. Розміри зміцнюваних поверхонь вибирали відповідно до вимог на робочі частини зразків з концентраторами напружень, що використовуються при випробуваннях на втому за ГОСТ-25.504-82. Для дослідження залишкових напружень використовували гладкі зразки циліндричної форми.

Експериментальні дослідження процесу зміцнення ЛДП деталей вібраційно-відцентровою обробкою проводили у спеціальному зміцнювачі на лабораторній вібраційній машині дебалансного типу. Деформуючі тіла, виготовлені у вигляді

роликів, були розташовані на обкатнику у тримачах з можливістю обертання навколо своєї осі та повороту в площині, яка перпендикулярна до осі обкатника. Амплітуду коливаль зміцнювана змінювали від 0 до 7 мм через 0,5 мм зміщенням мас дебалансного вібратора, а частоту його коливань (12,3 Гц, 16,3 Гц, 24 Гц, 33 Гц) - почерговим встановленням електродвигунів з відповідною частотою обертання вала. Зміну маси обкатника від 2,2 до 10,2 кг через 0,5 кг здійснювали встановленням на ньому додаткових вантажів.

Як мастильно-охолоджувальну рідину (МОР) використовували 3% водний розчин кальційованої соди. Час обробки заміряли секундоміром, а розміри обробленої поверхні - на універсальному мікроскопі.

Описані експериментальне устаткування та методики досліджень. Вимірювання мікротвердості оброблених поверхонь здійснювали на вирізаних із зразків мікрошліфах з використанням приладу ПМТ-3. Ступінь нагартування розраховували за формулою Є = £(Нц-НЦІ)/Н(1І|-100%, де Нц1 - поверхнева

мікротвердість незміцненого зразка; Нц - поверхнева мікротвердість зміцненого шару. Шорсткість оброблених поверхонь визначали за допомогою подвійного мікроскопа МИС-11 системи В.П. Цінника. Товщину зміцненого шару на зразках із досліджуваних матеріалів визначали: . для магнієвих сплавів - методом мікроструктурного аналізу; для алюмінієвих сплавів - методом рекристалізаційного відпалу; для сталей - вимірюванням ширини ділянки поверхневого шару, на якій спостерігалась зміна розмірів відбитків, нанесених на мікрошліфах чотиригранною алмазною призмою. Визначення залишкових напружень проводили з використанням методу поступового травлення поверхні циліндричного зразка і вимірювання наявних деформацій.

Втомні дослідження незміцнених і зміцнених запропонованим методом зразків як з концентратором напружень, так і без нього, проводили на машині УКИ-10М при консольному згині, частоті їх обертання 18 с'1 та симетричному циклі навантажень.

Експериментальне дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення ЛДП деталей на показники якості обробки

Визначено основні технологічні параметри при здійсненні процесу зміцнення вібраційно-відцентровою обробкою ЛДП деталей, а саме: частота коливань привідного тіла І (платформи вібромашини, на якій розташовували зміцнювач), амплітуда коливань привідного тіла А, маса обкатного елемента т, час обробки Тю (приймали час, необхідний для зміцнення ділянки поверхні шириною 10 мм).

Експериментально встановлено вплив технологічних параметрів процесу обробки запропонованим методом на такі показники якості зміцнення, як товщина пластично деформованого поверхневого шару, його мікротвердість та шорсткість оброблених поверхонь, залишкові напруження. Встановлено наявність оптимальних режимів обробки ЛДП даним методом (раціональних технологічних параметрів), при яких на оброблених поверхнях досягається максимальна товщина

зміцненого шару, поверхнева мікротвердість та ступінь нагартування при мінімальній шорсткості. В табл. 1 і 2 представлені отримані експе риментальним шляхом значення оптимальних технологічних параметрів для обробки ЛДП деталей та забезпечувані при цьому значення показників якості зміцнення.

Експериментальна перевірка отриманих теоретичних залежностей засвідчила, що розбіжність кінцевих результатів знаходиться в межах 4...6%. Це дозволяє рекомендувати їх до застосування при проектуванні технологічних процесів обробки ППД поверхонь з концентраторами напружень та створення необхідного обладнання для реалізації розробленого методу зміцнення ЛДП деталей.

Таблиця 1

Технологічні параметри зміцнення ЛДП

вібраційно-відцентровою обробкою__________________________

Технологічний параметр Матеріал оброблюваного зразка

МЛ12 АК6 Сталь 45 40ХН 40ХН2МА

Амплітуда коливань А, мм 2...2,5 2...2,5 3,5...4,0 3,5...4,0 3,5...4,0

Частота коливань Г, Гц 18...25 18...25 20...28 20...28 О оо

Маса обкатника т, кг 3,2...3,7 4,7...5,2 5,7...6,2 7,2...7,8 8,2...8,7

Час обробки Тю, хв 2,0...2,5 3,5...4,0 5,0...5,2 5,8...6,0 6,4...6,6

Питома енергія деформування Е„„т, кДж/м2 40...45 50...55 85. ..90 115...125 130... 140

Таблиця 2

Показники якості зміцнення ЛДП деталей

вібраційно-відцентровою обробкою_________________________

Показник якості зміцнення Матеріал оброблюваного зразка

МЛ 12 АК6 Сталь 45 40ХН 40ХН2МА

Поверхнева мікротвердість Нц, ГН/м2 1,1...1,13 1,54...1,56 2,89...2,91 3,5...3,52 3,71...3,71

Ступінь нагартування Є , % 53...57 34...36 26...27 17...18 15...16

Товщина зміцненого шару Ь, мм 1,73...1,83 0,93...0,95 0,58...0,59 0,5...0,54 0,5...0,51

Шорсткість поверхні Кя, мкм 1,0...1,1 0,8...0,9 0,59...0,62 0,54...0,6 0,46...0,5

Залишкові напруження Сїм., МПа 140...154 260...270 ... 720...730 840...850

Вплив питомої енергії деформування на показники якості зміцнення

Зміна того чи іншого технологічного параметра безпосередньо впливає на величину енергії, яка передається оброблюваній поверхні завдяки ударній взаємодії з нею обкатного елемента через деформуючі тіла, що в кінцевому результаті, зумовлює зміну показників якості зміцнення.

. Наведено результати експериментальних досліджень впливу енергії деформування, яку отримує одиниця площі зміцненої поверхні, тобто питомої енергії деформування - Епит (рис.2), на такі показники якості зміцнення, як товщина пластично деформованого шару, поверхнева мікротвердість, шорсткість оброблених поверхонь, величина та характер розподілу залишкових напружень. Експериментально встановлено наявність для кожного із досліджуваних матеріалів оптимальних значень Епит, при яких забезпечується найвища якість зміцнених поверхонь (табл. 1 і 2). ,

Досліджено вплив питомої енергії деформування на втомну міцність деталей з концентраторами напружень, поверхня яких зміцнена вібраційно-відцентровим методом. Ефективність зміцнення деталей (сталі 40ХН та 40ХН2МА, сплави АК6 і МЛІ2) оцінювали за результатами втомних випробувань лабораторних зразків з конструктивними елементами, виконаними у вигляді кругової радіусної канавки з теоретичним коефіцієнтом концентрації напружень за Нейбером ап = 1,89, та гладких циліндричних зразків з полірованою робочою поверхнею (ас = 1). Встановлено підвищення втомної міцністі оброблених зразків при збільшенні величини наданої поверхні Епит (рис.З). Проте, при певних значеннях Епнт, внаслідок появи мікротріщин та лущення матеріалу, відбувається перерозподіл і часткова релаксація наведених напружень, що знижує втомну міцність матеріалу, нівелює ефект від ППД. Це притаманно як для сталей (Епвт > 150 кДж/м2), так і для сплавів кольорових металів (Епит > 60 кДж/м2). Максимальне підвищення межі втоми зразків з концентраторами напружень виготовлених із магнієвого сплаву МЛ12 складає 45...47% і забезпечується прй величині Епит=42 кДж/м2. Для зразків із алюмінієвого сплаву воно складає 43...45% відповідно при Епит = 54 кДж/м2, для зразків із сталі 40ХН - 57...60% при Епит = 121 кДж/м2 і для зразків із сталі 40ХН2МА - 66...69% при Епит = 132 кДж/м2.

До мінімуму зводиться негативний вплив конструктивного концентратора напружень, оскільки суттєво зменшується величина ефективного коефіцієнта концентрації напружень кеф, а саме: для для зразків із сплаву МЛ12 з 1,43 (канавка не зміцнена) до 1,03 (канавка зміцнена при оптимальній Епит); для зразків із сплаву АК6 від повідно з 1,39 до 1,04; для зразків із сталі 40ХН з 1,67 до 1,08; для зразків із сталі 40ХН2МА - з 1,78 до 1,06.

Встановлено, що особливу роль у зміцненні поверхневого шару конструктивних елементів деталей, які працюють в умовах циклічних навантажень, відіграють наведені в ньому залишкові напруження стиску.

» Е„г. нір.

Н

Гн

V

зЛ

3,2

3.0

2,8

2,6

2Л

4Ш МА

X /і 40 хн

/1

¡г ^тал* 'Чч'їк 45

/ / \

/

/

И^,

J£

<А

и

1,0

м

«5

М-Б

/

/ мл-<г

/ \

/

і Є„.м?

Во.

**Н'

о

и

м

0.6

0.3

41 ■ - Г г - Сталь 45 ^

У Лапу '

А V /

і у

г-Мг- ; Л 1 *■<*- А*.

кт|

(.75

иь У,А 8.75

1 і/ А

V М 1-12 / / /

\ / /*к -6

✓ ✓

0 і 0 4 і “ 6 ц І Л“і кД*

АУ 5-6

/ _ 1 ! Ь.мАї

С*«1 * 48 кДж/м1 * 62 и4*/м‘. * А2 «й*/мг (

ЧЕги

Рис.2. Графіки залежностей впливу питомої енергії деформування матеріалу зразків на показники якості зміцнення:

Яа - середнє арифметичне відхилення нерівностей профілю;

Нр - поверхнева мікротвердість; *

И т товщина зміцненого шару;

(Узл - залишкові напруження

4ВХН

СплаЬ МЛ-)2

См,

МПа

Боа

5ГО

•«о

300

208

4 6 8И-Й5 г 4 Е вини*, г -ш7%

4Ш2МА

ч Ч і і п 'іи і і . Е^“^СкЛш/и2

< Ч,г ч/ Е„ Ех а ит ІГГ І4-7 432 хЛ КІ ж/мг ж/м!

т

к

1 > >- і

4 Ї8Й-Я6 2 4 6 вй-И7Кц

СплаБ АК6

Л в в»'«» 2 4 ¿ 61# 2^% 4 6 8Мй5 2 4 6 “*«• 2 4 Б ***?*

Рис.З. Криві втомних досліджень зразків з концентратором напружень (а0=1,89), зміцнених вібраційно-відцентровим методом при різних значеннях питомої енергії, деформування та гладких полірованих зразків (ая=1)

Устаткування для зміцнення локальних ділянок поверхонь деталей з конструктивними концентраторами напружень

Розроблено нестандартне устаткування (вібраційні машини та зміцнювачі модульного типу) для зміцнювальної обробки різноманітних за формою та розмірами ЛДП деталей з конструктивними концентраторами напружень. На' приклад, одна з типових вібромашин для зміцнення конструктивних елементів барабанів авіаційних коліс зображена на рис.4. Вона складається з пружно встановленої на стержневих пружинах 1 на основі 2 дископодібної платформи 3, яка коливається в площині, перепендикулярній до своєї осі. Для створення кругових коливань платформи 3 певної частоти та амплітуди на ній по центру встановлено дебалансний вібратор 4, який через еластичну муфту 5 з'єднаний з валом розміщеного на підставці 6 електродвигуна 7. Платформа 3 умовно розділяє вібромашину на дві частини: нижню і верхню. У закритій кожухом нижній частині, крім описаних вище вузлів, розташовано пульт керування 8 вібромашини та система 9 подавання в зону обробки та відведення МОР. Як МОР використовують 3% водний розчин кальційованої соди. Платформа вібромашини є своєрідною

вібраційною площадкою, що може здійснювати колові коливання певної частоти та амплітуди і забезпечувати необхідні умови для проведення процесу зміцнення конструктивних елементів деталей вібраційновідцентро-вою обробкою.

На платформу вібромашини встановлюють один із зміцнювачів 10 для обробки даним методом ЛДП певного типу барабана колеса літака чи іншої деталі. Необхідність конструювання та виготовлення таких

зміцнювачів як окремих одиниць оснащення вібромашин даного типу зумовлена тим, що номенклатура використовуваних в авіації барабанів нараховує декілька десятків найменувань. Тому, як оснащення до вібромашини, доцільно використовувати

спеціальні змінювачі модульного типу, які почергово можуть встановлюватись на платформі вібромашини, та забезпечувати зміцнення певного типу деталі чи ділянки деталі певної форми та розмірів.

На рис.4 показано конструкцію зміцнювана для обробки канавки під стопорне кільце та радіусного переходу зовнішньої конічної частини в бурт барабана КТ92Д, що зображений під номером 11. Для зміцнення канавки та радіусного переходу барабана у зміцнювачі на опорах кочення 12 і 13 встановлено з можливістю обертання та переміщення в площині, перепендикулярній до осі деталі, відповідно обкатники 14 і 15. В кожному з них у сепараторах встановлені деформуючі тіла, виконані у вигляді роликів 16 і кульок 17, виготовлених із сталі ШХ-15. їх твердість перевищує твердість матеріалу оброблювальної деталі і складає

58...62 НЯС. Верхня частина вібромашини закривається двома кришками 18, в одній з яких є оглядове вікно для візуального спостереження за процесом обробки.

Вібраційні машини такого типу виготовлялись у Державному університеті "Львівська політехніка" і були впроваджені на Камєнськ-Уральському ливарному

Рис.4 Принципова схема вібромашини для зміцнення конструктивних елементів барабанів авіаційних коліс

заводі для зміцнення конструктивних елементів барабанів, реборд та боковин авіаційних коліс, дисків автомобільних коліс ( алюмінієвий та магнієвий сплави), сталевих стяжних болтів боковин авіаційних коліс. Створено дільницю з п'яти вібромашин з комплектом зміцнювачів модульного типу, що забезпечують зміцнювальну обробку одинадцяти типів барабанів, реборд і боковин коліс літаків та дисків автомобільних коліс.

Впровадження поверхневого пластичного деформування конструктивних елементів барабанів, реборд і болтів авіаційних коліс та дисків автомобільних коліс запропонованим методом дозволило збільшити продуктивність праці в

1.3... 1,7 раза у порівнянні з раніше вживаною технологією зміцнення накатуванням роликом. Річний економічний ефект від впровадження процесу на цьому підприємстві склав 635 тис.крб. (в цінах на 1985 р.).

Розроблені вібраційні машини для зміцнення ЛДП деталей запропонованим методом прості і надійні в експлуатації, не вимагають висококваліфікованого обслуговуючого персоналу, а при необхідності можуть бути легко механізовані чи автоматизовані.

Після обробки на вібромашинах конструктивних елементів деталей, виготовлених із магнієвого сплаву МЛ-12, на оптамальних режимах товщина зміцненого шару складає 0,9...1,1 мм, поверхнева мікротвердість підвищилась до 1,0... 1,1 ГН/м2 при ступені нагартування 48...52%, шорсткість оброблених поверхонь становила Яа = 0,9... 1,0 мкм, наводились залишкові напруження стиску до 140 МПа. На деталях із алюмінієвих сплавів товщина зміцненого шару складала 0,8...0,9 . мм, поверхнева мікротвердість підвищилась до 1,4...1,5 ГН/м2 при ступені наклепу 30...32%, шорсткість зменшилась до Яа = 0,8...0,9 мкм, величина залишкових напружень стиску становила 250 МПа.

Після обробки стяжних болтів боковин, виготовлених із сталі 40ХН2МА, товщина зміцненого шару складала 0,25...0,26 мм, при ступені нагартування

20...25%, а шорсткість зміцнених поверхонь - 0,4...0,5 мкм.

Натурні втомні дослідження, наприклад, барабанів КТ150Д коліс літаків, виготовлених із алюмінієвого сплаву АК6 показали, що підвищення їх довговічності після зміцнення розташованих на них конструктивних елементів методом вібраційно-відцентрової обробки в середньому складає 30%. Зміцнення ЛДП барабанів типу КТ141 з магнієвих сплавів МЛ12 підвищує кількість їх злето-посадок з 750 (для оброблених накатуванням роликом) до 1000 для оброблених запропонованим методом ППД. Втомні дослідження зміцнених даним методом стяжних болтів боковин авіаційних коліс КН183.023, виготовлених методом накатування із сталі 40ХНМА, показали підвищення на 45% їх межі витривалості порівняно з незміцненими.

Розроблено документацію та виготовлено вібраційну машину для зміцнення елементів бурових колон, впровадження якої можливе, наприклад, на Дрогобицькому експериментально-механічному заводі. Проведені на даній вібромашині експериментальні дослідження зміцнення вібраційно-відцентровою обробкою

різевих ділянок перевідників бурових колон ПН 121/121, виготовлених із сталі 40ХН, та струмків шківів КСКУ, виготовлених із алюмінієвого сплаву АК7МЦМг2, які випускає Херсонський комбайновий завод, показали високу ефективність розробленого методу, як при зміцненні деталей, що працюють на втому, так і для деталей, що повинні мати високу зносостійкість поверхонь.

ВИСНОВКИ

1.Зміцнення ЛДП деталей методом ППД є ефективним засобом підвищення їх надійності і довговічності. Створений для цього метод вібраційно-відцентрової обробки, який належить до групи динамічних методів ППД і базується на ударній взаємодії обкатного елемента з поверхнею деталі при .їх контакті через деформуючі тіла, відрізняється високою ефективністю і продуктивністю, здатністю забезпечення значної енергії деформування. '

2.Різноманітними модифікаціями устаткування для зміцнення ЛДП деталей розробленим методом забезпечується як почергова, так і одночасна якісна зміцнювальна обробка різних за формою та розмірами конструктивних’елементів-деталей, що свідчить про його універсальність.

3.Основними технологічними параметрами, що мають найвагоміший вплив на показники якості зміцнювальної обробки (товщину зміцненого шару, поверхневу мікротвердість, шорсткість оброблених поверхонь, величину залишкових напружень) є частота та амплітуда коливань привідного тіла, маса обкатного елемента та час обробки. Експериментально встановлено наявність оптимальних для певного матеріалу амплітуди та частоти коливань привідного діла, а також інших технологічних параметрів, при яких у поверхневому шарі матеріалу забезпечуються максимальна товщина зміцненого шару і поверхнева мікротвердість при мінімальній шорсткості оброблених поверхонь.

4.Найвагоміший вплив на рівень забезпечуваних показників якості зміцнення при обробці ЛПД деталей розробленим методом має питома енергія деформування Епнх, яку отримує одиниця поверхні деталі при ударній взаємодії обкатного елемента через деформуючі тіла з деталлю. Встановлено існування оптимального для певного матеріалу значення Епит, яку доцільно надати оброблюваній поверхні деталі, не залежно від її форми та розмірів, при якій показники якості зміцненого шару будуть найкращими. Для славу МЛ12 вона складає 40...45 кДж/м2, а для сплаву АК6 та сталей 45, 40ХН, 40ХН2МА відповідно - 50...55 кДж/м2, 85...90 кДж/м2, 115...125 кДж/м2, 130...140 кДж/м2. Межа витривалості деталей із зміцненими вібраційно-вібцентровою обробкою ЛДП конструктивним елементами є максимальною при оптимальних Епит і наближається до величини, що відповідає витривалості деталей без концентраторів напружень.

5.Енергія деформування матеріалу оброблюваної деталі при вібраційно-відцентровій обробці регламентується частотою і амплітудою коливань привідного тіла, масою та конструктивними параметрами обкатного елемента і не

залежить від маси деталі та деформуючих тіл. Метод дозволяє регулювання в широкому діапазоні забезпечувані показники якості зміцнення деталей з концентраторами напружень довільної форми та розмірів.

6.Результати експериментальних досліджень технологічного процесу та втомних випробувань зміцнених деталей із незначною розбіжністю (4...6%) підтверджують достовірність теоретичних залежностей для прогнозування товщини зміцненого поверхневого шару та необхідного для цього часу обробки, що дозволяє застосовувати одержані результати при проектуванні промислового обладнання.

. 7.Розроблені на основі вібраційно-відцентрової обробки вібромашини для зміцнення барабанів, реборд, боковин та болтів авіаційних коліс, дисків автомобільних коліс, перехідників бурових колон, шківів та шліцьових валів дають можлийість забезпечити якісне зміцнення'ЛДП деталей і нейтралізувати негативний вплив розташованих на них концентраторів напружень. (

Основний зміст дисертаційної роботи викладений в таких публікаціях:

h Кук A.M. Упрочнение резьбовых участков переводников буровых колонн. // Вестн. Львов, политехи, ин-та, - N 209. - Оптимизация производственных процессов и технический контроль в машиностроении и приборостроении. - Львов. -1986. - С.52-56.

2. Афтаназив И.С., Кук А.М. Выбор оптимальных технологических параметров при упрочнении резьбовых поверхностей. // Вестн. Львов, политехи, ин-та. -N228. Оптимизация производственных процессов и технический контроль в машиностроении и приборостроении. - Львов. - 1988. - С.5-7.

3. Афтаназив И.С., Кук А.М. Интенсификация процесса упрочнения конструктивных элементов барабанов колес транспортных средств. / Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей: Тез. . докл. научно-техн. конф. - Ростов-на-Дону. - 1988. - С.104-106.

4. Афтаназив И.С., Кук А.М. Упрочнение шлицевых валов вибрационноцентробежной упрочняющей обработкой // Совершенствование вибрационной технологии и оборудования: Сб. науч. тр. - Ростов-на-Дону. - 1988. - С. 13-19.

5. Афтаназив И.С., Кук А.М. Упрочнение конструктивных элементов деталей формы тел вращения / Информ. листок. - N88-06. -Львов. ЦНТИ. - 1988. - 2с.

6. Афтаназів І.С., Кук А.М. Автоматизований комплекс для зміцнення дисків автомобільних коліс // Вибрации в технике и технологиях. - N 1(4). - Вінниця. -1997. - C.45-48.

7. Афтаназів 1.С., Кук A.M., Пономаренко A.A. Вибір оптимальних режимів при зміцненні робочої поверхні шківів. //Вісн. Львів, політехн. ін-та. - N246. -Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні. -Львів. - 1990. - С. 5-7.

8. Афтаназів І.С., Кук A.M. Застосування вібраційно-відцентрової зміцнювальної обробки локальних ділянок деталей. / Тези доп. 2-го

Міжнародного симпозіуму інженерів-механіків у Львові, травень 1995. - С.115.

9. Семків Ю.М., Афтаназів І.С., Кук A.M. Визначення товщини пластично-деформованого поверхневого шару при обробленні вібраційно-відцентровим зміцнювальним обробленням поверхонь деталей складної форми. //Вісн. ДУ'Львівська політехніка". - N303. - Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні. - Львів. - 1996. - С. 112-117

10. A.c. 1523317 СССР, МКИ В 24 В 39/00-04. Способ упрочнения деталей /

В.А. Щигель, B.C. Ступин, В.А. Дьяченко, С.Н. Павлов, И.С. Афтаназив, A.M. Кук (СССР). - № 4372441/31-27; Заявлено 01.02 88; Опубл. 23.11.89, Бюл. №43.

- 11с.

11. A.c. 1620192 СССР, МКИ В 21 Н 3/06. Устройство для упрочнения винтовых поверхностей / В.М. Бочков, И.С. Афтаназив, А.М. Кук, В.А. Щигель (СССР). - № 4401844/31-27; Заявлено 15.04.88; Опубл. 15.01. 91, Бюл. №2. - 6с.

12. A.c. 1773693 СССР, МКИ В 24 В 31/067. Способ вибрационного упрочнения деталей типа тел вращения/ B.C. Ступин, М.П. Плунский, А.М. Кук, И.С. Афтаназив, В.А. Щигель (СССР). - Ха 4769387/08; Заявлено 18.12.89; Опубл. 07.11.92, Бюл. № 41. - 7с.

Анотація

Кук А.М. Зміцнення локальних ділянок поверхонь деталей вібраційно-відцентровою обробкою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1998 .

Дисертація присвячена питанням зміцнення деталей з концентраторами напружень. Розроблено метод зміцнення локальних ділянок поверхонь деталей вібраційно-відцентровою обробкою. Встановлено аналітичні залежності для розрахунку енергії ударної взаємодії інструменту з деталлю, товщини зміцненого шару та часу обробки даним методом. Представлено результати експериментальних досліджень впливу технологічних параметрів на показники якості зміцнення. Виготовлено та впроваджено у виробництво високоефективне устаткування для зміцнення конструктивних елементів деталей.

Ключові слова: технологічний процес зміцнення, вібраційно-відцентрова обробка, локальна ділянка, концентратор напружень.

Аннотация

Кук А.М. Упрочнение локальных участков поверхностей деталей вибрационно-центробежной обработкой. - Рукопись. .

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Государственный университет “Львивська политехника”, Львов, 1998 .

Диссертация посвящена вопросам упрочнения деталей с концентраторами напряжений. Разработан метод упрочнения локальных участков поверхностей деталей вибрационно-центробежной обработкой. Установлены аналитические зависимости для расчета энергии ударного взаимодействия инструмента с деталью, толщини упрочненного слоя и времени обработки данным методом. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров на показатели качества упрочнения. Изготовлено и внедрено в производство високоэффективное оборудование для упрочнения конструктивный элементов деталей.

Ключевые слова: технологический процесс упрочнения, вибрационноцентробежная обработка, локальные участки, концентратор напряжений.

Annotation

Cook A.M. The hardening of local .parcels of pieces surfaces by means of vibration-centrifugal hardening treatment.

The thesis for Cand. Tech. Sci. degree by specialisation 05.02.08 -machinebuilding technology, State university "Lviv polytechnic", Lviv, 1998.

The dissertation is devoted of problems of hardening of pieces surfaces with stress concentrator. The method of hardening of local parcels of pieces surfaces by means of vibration-centrifugal hardening treatment is worked out. The analytical dependencies for calculation the energy of impact interaction between piece and instrument, thickens of hardened layer and treatment duration is determined. The results of experimental investigations of influence of technology parameters on the indices of hardening quality is presented. The high effective equipment for hardening of mechanical elements of pieces is manufactured and introduced.

Key words: technological process of hardening, pieces hardening, vibration-centrifugal treatment, local parcel, stress concentrator.

Підписано до друку 19 серпня 1998р. Формат 60 х 90/16. Папір офсетний №1. Друк офсетний. Умови, друк. арк. 1. Замовлення №427. Тираж 100 прим. Безкоштовно. Друк ЛОКД.