АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА ПРИ ДРОБЕУДАРНОМ УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ШИН И.Г., ДЖУРАЕВ А.Д.

Институт текстильной и легкой промышленности, г.Ташкент, Республика

Узбекистан E-mail:dimashin@list.ru

Высокая ответственность финишных операций механической обработки деталей машин и механизмов заключается в технологическом обеспечении требуемого качества их поверхностного слоя, в котором, как правило, возникают разрушительные процессы в виде износа контактных микрообъемов и усталостных микротрещин. Качество поверхностного слоя деталей характеризуется комплексом физико-механических и геометрических параметров: шероховатость обработанной поверхности, степень и глубина деформационного упрочнения, технологические остаточные макронапряжения.

Имеется большой объем экспериментальных исследований влияния условий и режимов механической обработки на качественные показатели поверхностного слоя деталей, от которых в значительной степени зависят долговечность и сопротивление усталости изделий при действии знакопеременных нагрузок. Если методы окончательной размерной обработки (тонкое точение и шлифование, хонингование, суперфиниширование и др.) не обеспечивают требования по износостойкости и усталостной прочности деталей, то необходимо применять методы поверхностно-пластического деформирования (ППД), которые способны устранять различные дефекты от предыдущей механической обработки и создать качественный поверхностной слой, например, благоприятное сжимающее остаточное напряженное состоянии.

Совершенствование экспериментальных методов исследования параметров качества поверхностного слоя (металлографический, рентгенографический, декорирование дислокаций, рекристаллизационный отжиг) и широкое внедрение в расчетную практику научно обоснованных методов определения основных качественных показателей состояния поверхностного слоя создают надежную основу для разработки прогнозной оценки долговечности и усталостной прочности ответственных деталей машин на этапе их проектирования.

Дробеударная обработка деталей машин относится к простому и одновременно эффективному методу отделочно-упрочняющей обработки, которая обеспечивает повышение долговечности, циклической прочности и надёжности изделий машиностроения. В результате контактного ударного взаимодействия дроби с обрабатываемой поверхностью и необратимого изменения физико-механических свойств поверхностного слоя (деформационное упрочнение и формирование сжимающих остаточных напряжений), образования поверхности с меньшей шероховатостью и улучшения микропрофиля, а также повышения структурной однородности существенно увеличивается несущая способность элементов конструкций и деталей. Особенно это заметно при действии циклической нагрузки, имеющей часто ударный характер, например, для деталей кулачковых механизмов на бесчелночных ткацких станках, зубьев пильных дисков для машин первичной обработки хлопка и др.

Глубина деформационного упрочнения или наклепа при дробеударной обработке оказывает доминирующее влияние на эксплуатационные свойства деталей машин и большинством исследователей рассчитывается как глубина распространения пластических деформаций, зависящая от нормальной силы деформирования (сила вдавливания) и предела текучести обрабатываемого материала.

Определение глубина распространения пластических деформаций возможно по параметрам отпечатка при упругопластическом контакте дроби произвольного диаметра с плоской поверхностью стального бруса в зависимости от глубины и диаметра остаточного (восстановленного) отпечатка. Естественно, данный метод требует трудоемкого и тщательного экспериментального определения параметров отпечатка. Необходимо отметить, что равенство диаметров отпечатка при динамических процессах (ударном вдавливании шарика) и статическом вдавливании практически формирует одинаковую глубину наклепанной зоны. Ценность данного экспериментального факта состоит в том, что зависимость глубины наклепа от различных параметров при статическом вдавливании может быть использована и для анализа ударного нагружения.

Известные зависимости между диаметром отпечатка и нагрузкой на шарик при его внедрении в упругую и пластическую зоны соответствуют уравнениям Герца и Мейера, справедливые для изотропных тел, подчиняющихся закону Гука.

Процессы ППД протекают в более сложных условиях, поэтому упомянутые зависимости, отражая основные силовые соотношения при статическом контактировании твердых тел, имеют ограниченное применение при ударном пластическом деформировании. Сделав допущение о том, что среднее давление сопротивления внедрению или среднее давление течения (предел текучести ) на поверхности контактирования остается постоянным, можно процесс соударения недеформируемого сферического индентора с более мягкой металлической поверхностью описать аналитически:

, (1)

где - радиус индентора (шарика); - глубина отпечатка.

Пренебрегая величиной ² ввиду малой глубины внедрения по отношению к диаметру , через уравнение движения шарика в обрабатываемой среде получим формулу для расчета максимального внедрения (сжатия) сферического индентора:

, (2)

где - начальная скорость удара дроби; - масса дроби.

Выразив максимальную силу удара через начальную кинетическую энергию удара дроби по плоской поверхности, получим зависимость для глубины наклепа

. (3)

Установлено, что глубина наклепа , рассчитанная по формуле (3), с достаточной для практики точностью совпадает с опытными данными и расхождение составляет 8,5-14,3% при дробеструйной обработке титановых сплавов твердостью стальными шариками диаметром =0,5-2,5 мм со скоростью =65 м/с при кратности отпечатка .

Таким образом, приведенная сходимость результатов расчетного и экспериментального значений глубины наклоны подтверждает корректность принятой модели контактного взаимодействия при дробеударном упрочнении, а также методики расчета глубины , являющейся одним из основных параметров качества поверхностного слоя, ответственной за комплекс эксплуатационных показателей деталей машин и механизмов. Возможность определения параметров поверхностного слоя на стадии проектирования технологических процессов изготовления деталей рабочих органов машин является основой для прогнозирования надежности и долговечности изделий в зависимости от режимов и условий обработки, а также физико-механических свойств конструкционных материалов.