Проект восстановления коленчатого вала ЗИЛ 130 с применением ультразвукового упрочнения (стр. 4 из 10)
При обработке дробью шероховатость обрабатываемой поверхности повышается незначительно, а в некоторых методах и режимах обработки возможно и уменьшение шероховатости.
При дробеструйном упрочнении шлифованных поверхностей цементированных и закалённых деталей параметр шероховатости повышается в среднем на 1-2 мкм, при упрочнении деталей из улучшенной стали, из титановых и алюминиевых сплавов параметр шероховатости повышается на 2,5-5 мкм, во многих случаях происходит активный перенос частиц дроби на поверхность деталей, что снижает их коррозионную стойкость, режим упрочнения характеризуется значительной нестабильностью. Коме того, установки ДУ имеют ряд эксплуатационных недостатков, связанных с быстрым изнашиванием сопел и др.. Основные преимущества ГДУ по сравнению с дробеструйным следующие:
- остаточные напряжения только сжимающие, максимальные значения на некоторой глубине, сравнительно низкий параметр шероховатости (Rа 1,25-О,1бмкм) сохраняется, высокий (Ra 1,25-1,2 мкм) может снижаться до 12,5-1,2 мкм:
- микрогеометрия улучшается,
- исключён перенос на обрабатываемую поверхность материала рабочих тел в связи со снижением температуры в зоне контакта.
Однако установки ГДУ сложнее, дороже и требуют более высоких затрат при эксплуатации.
Наибольшее отличие в изменении свойств проявляется при ДМУ (дробелитное упрочнение). Высокая интенсивность пластической деформации обеспечивает при ДМУ более высокую степень и глубину упрочнения. Максимальная микро твёрдость наблюдается при времени наклёпа равным 4 минутам
По сравнению с исходной твёрдость увеличивается на 25 % и достигает ≈10Гпа [4].
3.6. Центробежная обработка.
При центробежной обработке на обрабатываемую поверхность наносят последовательные удары рабочими элементами (шарами или роликами), свободно сидячими в радиальных отверстиях вращающегося диска. Рабочие тела под действием центробежных сил занимают крайнее положение в радиальных отверстиях, а при ударе обрабатываемую поверхность опускаются на глубину, равную натягу, отдавая энергию, создаваемую центробежной силой.
Метод применяют в основном для повышения сопротивления усталости деталей, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. При правильно назначенных условиях и режимах упрочнения с помощью этого метода удаётся повысить сопротивление усталости обрабатываемых деталей в 1,5-4 раза. При оптимальных параметрах упрочнения параметр шероховатости грубых поверхностей Rа 5-20 мкм уменьшается в десятки раз и достигается Rа 0,63-1,25 мкм, при обработке поверхностей с Rа 0,32-0,63 мкм параметр шероховатости уменьшается до Rа 0,08-0,16 мкм. Температура поверхности в момент деформирования может достигать 200 0С, однако, это не вызывает структурных изменений.
Твёрдость поверхностного слоя по сравнению с твёрдостью не наклёпанного слоя повышается в среднем при обработке силумина на 50 %, стали 25 — на 40 %, чугуна — на 30- 60% и латуни на 60 %. Глубина наклёпа 0,6-0,8 мм и более [4].
3.7. Ультразвуковое упрочнение (УЗУ).
Если при упрочнении статическими методами ППД инструменту сообщают дополнительно ультразвуковое колебание с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание и т.п.)
Рисунок 3.8. Схема ультразвукового упрочнения (УЗУ).
Используют также УЗУ, когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис.3.9.) напоминает виброударную обработку.
Рисунок 3.9. Схема УЗУ.
1 – концентратор;
2 – камера;
3 – обрабатываемая деталь;
4 – стальные шарики.
При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 2 (рис.3.10.) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором магнитострикционным преобразователем 5 и концентратором 3), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 1.
Рисунок 3.10. Схема ультразвукового упрочнения.
1-обрабатываемая деталь;
2-рабочая часть инструмента;
3-концентратор;
4-ультразвуковой генератор;
5-магнитострикционный преобразователь;
6-направляющие.
Статическую силу Рст можно прикладывать с помощью пружины или груза,
под действием которого все устройство может свободно перемещаться по направляющим 6 и поджиматься к детали 1. По сравнению, например, с обкатыванием шаром (ОШ) ультразвуковое упрочнение отличается следующими особенностями и преимуществами:
1-инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью колебаний, в результате чего формирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением;
2-кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности в 400 раз более (при ОШ 12-20 раз);
3-статическая сила, действующая на деталь, незначительна;
4-скорость деформации — переменная, её максимальное значение 200 м/мин и более, что превышает скорость деформирования при ОШ в десятки и сотни раз;
5-среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали под действием нормально направленной силы, в 3-9 раз больше, чем при ОШ;
6- энергия, расходуемая на искажение кристаллической решётки и идущая на внутренние микроструктурные преобразования, при УЗУ значительно выше, чем при0Ш;
7-температура места контакта инструмента с деталью в зоне деформирования 100-1500С, что в 3-5 раз меньше, чем при ОШ, а время нагрева при УЗУ очень мало (3 х 10-5 сек), поэтому не наблюдается снижения упрочнения, вызываемого действием высокой температуры;
8-в процессе УЗУ вследствие относительно больших напряжений и многократного приложения нагрузки напряжённо-деформированное состояние специфично.
Множественное скольжение дополнительно тормозит дислокацию. Плотность дислокаций намного больше, чем при ОШ. В результате степень наклёпа повышается в 1,2-1,5 раза и соответственно увеличивается уровень остаточных сжимающих напряжений.
Применение УЗУ по сравнению с ОШ может быть эффективно в следующих случаях:
1-для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и др., где применение других методов не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;
2-для деталей и инструментов из твердых сплавов;
3-для деталей малой и неравномерной жёсткости, так же УЗУ характеризуется небольшой статической силой и временем деформирования.
К параметрам режима У относится: статическая сила Рст, амплитуда А колебаний инструмента, радиус его округления Г, частота колебаний f, эффективная масса инструмента М, продольная подача S, число рабочих ходов i, скорость обработки детали V.
Основные параметры упрочнения лежат в следующих пределах: частота ультразвуковых колебаний f = 2 х 104 амплитуда 2А = 10…20 мкм, статическая сила Рст = 30...300Н, время контактирования инструмента с деталью r = 3х10-5 с, отношение тангенциальной силы к нормальной Рm/PN = 0,7, скорость колебательного движения инструмента
V1 = 2Пf>400 (1.)
Примером эффективного применения УЗУ может служить упрочнение предварительно шлифованных рабочих поверхностей эвольвентного зуба зубчатых колёс из стали 45 (m = 1,5 мм; Z = 30). В результате УЗУ с оптимальным режимом (Рст = 50Н, 2А = 20 мкм, S = 0,1 мм/об, i = 1) Ra уменьшился с 0,4 мкм до 0,1 мкм, т.е. в 4 раза.
Микротвердость поверхностного слоя повысилась с НВ208 до НВ357 (на 71 %) и соответственно, повысился предел контактной выносливости на 10-20 % [4].
Проведённые сравнительные исследования качества поверхностного слоя наплавленных деталей (коленчатые валы двигателя ЗИЛ-130) после шлифования без ультразвука и выглаживания с УЗУ на рациональных режимах показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твёрдость увеличилась до 30 % , толщина упрочнения составляет 0,6-0,8 мм, микротвердость увеличилась до 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм и образуется особый микрорегулярный ячеистый рельеф на поверхности [5].
Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия значительной силы (осевых Sz = 150...1бО Па 107, тангенциальных Рm = 120...130 Па 107). Уменьшение разброса твёрдости на поверхности наплавленного металла свидетельствует об образовании более однородной структуры [5].
Рациональным по качественным и эксплуатационным показателям наплавленных деталей является такой режим, при котором двойная амплитуда УЗК равняется 2А = 30...50 мкм, статическое усилие прижима инструмента и детали Рст = 400...600 Н, скорость вращения детали Vg = 0,33.. 0,99 м/с и продольная подача инструмента Sпр = 0,120,15 м/об.
Сравнительные лабораторные испытания на износостойкость наплавленных и упрочнённых ультразвуковым выглаживающим инструментом образцов, вырезанных из натуральных шеек коленчатых валов, показали их меньший приработочный износ по сравнению с не упрочнённым, примерно в 7 раз, а по сравнению с образцами не наплавленными (контрольными) из стали 45, закалённой ТВЧ, примерно в 4,7 раза.
Стендовые и эксплуатационные испытания коленчатых валов двигателя ЗИЛ-130 восстановленных наплавкой и упрочненных ультразвуковым инструментом, показали, что поломок их по причине усталости не обнаружено, а износостойкость оказалась в 2,2 раза выше по сравнению с не упрочнёнными ( на 63 % выше износостойкости новых валов) [5].