Производство деталей машин с применением комбинированной электрофизической обработки

Шилина А.В., Свириденко Д.С.

Традиционные технологические процессы механической обработки, получения заготовок и сборки изделий на протяжении многих лет остаются неизменными, да и в обозримом будущем будут оставаться базовыми, занимая большую часть от трудоемкости производства изделий.

Развитие производства в современных условиях предполагает широкое использование накопленного опыта по развитию и применению нетрадиционных технологий, к которым можно отнести комбинированные методы обработки, являющиеся сочетанием раз­личных технологических приемов, в каждом из которых пытаются ис­пользовать и усилить положительные признаки, необходимые для тех­нологического процесса изготовления детали. В качестве признаков, подлежащих усилению, может выступать любой технологический параметр обработки или их сочетание (производительность, качество и др.). Это особенно касается деталей машин, которые работают в жестоких условиях контактного трибологического взаимодействия. При этом могут возникать условия термоэрозионного, эрозионно-механического ударно усталостного знакопеременного циклического взаимодействия поверхностей деталей машин, к таким деталям можно отнести детали рулевых машин, детали двигателей, камеры сгорания и др.

Для выбора рациональных сочетаний методов обработки создана методика проектирования технологии изготовления деталей машин с применением комбинированной упрочняющей обработки.

Эта методика предусматривает установление взаимосвязи между эксплуатационными характеристиками деталей и параметрами качества поверхностного слоя с применением интегрального критерия матрицы внешних воздействий.

Матрица внешних воздействий, это обобщенный критерий параметров поверхностного слоя, который учитывает геометрические характеристики (неровности поверхностного слоя, волнистость и др.), физико-химические параметры (микротвердость, величина внутренних остаточных напряжений, структурный и фазовый состав поверхностного слоя). При этом создан математический аппарат, который помогает увязать эти параметры с эксплуатационными характеристиками деталей летательных аппаратов [1].

В каждом конкретном случае по определенному алгоритму производится проектирование технологии комбинированной обработки.

Наиболее перспективным на наш взгляд являются комбинированные электрофизические методы упрочняющей обработки.

К таким методам можно отнести ультразвуковое выглаживание (УЗВ) после лазерного термоупрочнение (ЛТО).

Проведены исследования влияния комбинированной упрочняющей обра­ботки на параметры поверхностного слоя деталей машин: микротвердость (Но); внутренние остаточные напряжения (σ); массовый износ (М) на образцах из стали 65С2ВА.

Лазерное термоупрочнение проводим на установки типа "Катунь".

Ультразвуковое выглаживание осуществляли на специаль­ной установке модели 4Д772.

Влияние комбинированной обработки УЗВ после ЛТО на микротвердость (Но) при различных режимах упрочняющей комбинированной обработки характеризу­ются двумя типами кривых: имеющих ниспадающий характер с образованием зон с пониженным значением микротвердости; постоянно уменьшающих значение микротвердости с увеличе­нием глубины упрочненного поверхностного слоя. Максимальное значение микротвердости соответствует 6,6... 6,9×10³ МПа при глубине поверхностного слоя 0,8... 1,1 мм. Кроме того, существуют зоны с по­ниженной микротвердостью 3,0... 3,5×10³ МПа.

Такие колебания микротвердо­сти связаны с различными режимами ЛТО (плотность мощности излучения, скорость перемещения луча), что и вызы­вает формирование как зон с пониженной микротвердостью, так и с повышенной. Влияния внутренних остаточных напряжений (σ) в зависимости от глубины уп­рочненного слоя при различных режимах комбинированной упрочняющей об­работки носят в основном сжимающий характер. Максимальное значение внутренних остаточных напряжений соот­ветствует -200 ... –300 МПа, а минимальное -800 ... -1000 МПа. Для расчёта упругих деформаций применяли метод двух съёмок линии железа, и внутренние остаточные напряжения определялись по формуле:

, где: Е - модуль нормальной упругости;

ν - коэффициент Пуассона;

dψ, dz - межплоскостные расстояния.

Исследование влияние массового износа (М) образцов от скорости перемещения (Vузв, Vлто) при различных режимах упрочняющей обработки показало, что с увеличе­нием скорости перемещения (Vузв, Vлто) увеличивается массовый износ. Значение мини­мального массового износа после УЗВ соответствует 0,02...0,025×10^-3 кг, а ми­нимального после ЛТО составляет 0,01...0,02×10^-3кг.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что микротвердость упрочненного поверхностного слоя образцов находится в диапазоне 11. 100×10⁵ МПа, при этом внутреннее остаточное напряжение -400 . -800 МПа. Такие значения σ и Но соответствуют аустенитно-мартенситным структурным превращением, обеспечивающим содержание аустенита в объёме поверхностного слоя 2 ... 3 % [2].

На основании приведенных исследований определены оптимальные режимы комбинированной упрочняющей обработки:

ЛТО:

плотность мощности излучения (g) - 1,1 ×10⁴... 8×10⁵Вт/см;

скорость перемещения образца (Vлто) - 0,5... 1,5 мм/с;

диаметр луча -1 мм.

УЗВ:

удельное давление (Р) - 26 ×10⁵ ... 84 ×10⁵ МПа;

скорость перемещения образца (Vузв) - 0,05... 0,2 мм/с.

Применение упрочняющей комбинированной обработки снизило интенсивность массового износа поверхностного слоя до 0,001…0,002 кг, обеспечило повышение долговечности по отношению к обычным методам на 200...250 %.

Список литературы:

1. Усов С.В., Свириденко Д.С. Производство деталей машин с применением комбинированной упрочняющей обработки. М.: Технология машиностроения, 2005, №6.

2. Усов С.В., Свириденко Д.С. Научные основы создания прогрессивных методов обработки деталей машин, на базе информационных технологий. М.: Издательство Славянская школа, 2011, 208 с.