PL207895B1

PL207895B1 - Method for optimization of machine element surface treatment

Info

Publication number: PL207895B1
Application number: PL365815A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Gawroński
Original assignee: Politechnika Łodzka
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2011-02-28
Also published as: PL365815A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób optymalizacji obróbki powierzchniowej elementów maszyn, zwłaszcza węzłów ciernych pracujących w warunkach zmęczenia stykowego.The subject of the invention is a method of optimizing the surface treatment of machine elements, especially friction nodes operating under conditions of contact fatigue.

Technologia wytwarzania utwardzonych warstw wierzchnich na elementach maszyn w zasadniczy sposób decyduje o właściwościach użytkowych tych elementów, a nadto wytwarzanie warstw wierzchnich stanowi istotną składową ogólnych kosztów wytwarzania tych elementów z uwagi na czasochłonność i energochłonność. Dlatego optymalizacja procesu obróbki powierzchniowej znajduje się w centrum zainteresowania przemysł u maszynowego i motoryzacyjnego.The technology of manufacturing hardened surface layers on machine elements essentially determines the functional properties of these elements, and the production of surface layers is an important component of the overall production costs of these elements due to the time-consuming and energy-consuming nature. Therefore, optimization of the surface treatment process is at the fore in the mechanical and automotive industries.

Do tej pory dostępne dane literaturowe i materiałowe bazy danych nie podają istotnych parametrów, których znajomość jest niezbędna przy wyborze właściwego procesu obróbki powierzchniowej, a zwłaszcza wartości i rozkładu naprężeń własnych. Znajomość wartości i rozkładu naprężeń własnych jest szczególnie ważna przy wyborze rodzaju obróbki kształtującej warstwę wierzchnią węzłów ciernych pracujących w warunkach zmęczenia stykowego, gdyż decyduje to o jego trwałości i niezawodności.So far, the available literature data and material databases do not provide important parameters, the knowledge of which is necessary when selecting the appropriate surface treatment process, especially the value and distribution of residual stresses. The knowledge of the value and distribution of residual stresses is particularly important when choosing the type of treatment shaping the surface layer of friction nodes operating in conditions of contact fatigue, as it determines its durability and reliability.

Dotychczas projektowanie węzłów ciernych pracujących w warunkach zmęczenia stykowego całkowicie pomija rozkład naprężeń własnych w warstwach wierzchnich i opiera się jedynie na analitycznych i szacunkowych obliczeniach inżynierskich w oparciu o bazy danych, w których zawarte są jedynie podstawowe właściwości mechaniczne współpracujących ze sobą materiałów. Naprężenia (a nie ich rozkłady) wyznacza się w oparciu o wzory Hertza, które nie uwzględniają anizotropii właściwości sprężystych stosowanych materiałów jak również ograniczają obliczenia do ściśle określonych kształtów stykających się powierzchni.So far, the design of friction nodes operating under contact fatigue completely ignores the distribution of residual stresses in the surface layers and is based only on analytical and estimated engineering calculations based on databases, which contain only the basic mechanical properties of the materials cooperating with each other. The stresses (and not their distributions) are determined based on Hertz's formulas, which do not take into account the anisotropy of elastic properties of the materials used, as well as limit the calculations to strictly defined shapes of the contacting surfaces.

Sposób optymalizacji obróbki powierzchniowej elementów maszyn, zwłaszcza węzłów ciernych pracujących w warunkach zmęczenia stykowego, według wynalazku polega na tym, że węzeł cierny poddaje się obróbce powierzchniowej porównywanymi metodami, wyznacza się naprężenia własne w wytworzonych warstwach i po weryfikacji wyników pomiarów sporządza się wykresy rozkładu naprężeń własnych w tych warstwach w funkcji odległości od powierzchni. Następnie w oparciu o dane techniczne urządzenia, w którym pracuje badany węzeł, modeluje się dla niego widmo obciążeń zewnętrznych dla ekstremalnych warunków pracy i buduje się model dyskretny oraz submodel dyskretny miejsca styku elementów węzła. Za pomocą modelu i submodelu wyznacza się naprężenia w obszarze styku elementów węzła, pochodzące od obciążeń zewnętrznych. Następnie dokonuje superpozycji naprężeń pochodzących zarówno od obciążeń zewnętrznych jak i obciążeń własnych, działających w obszarze styku tych elementów, po obróbce porównywanymi metodami i sporządza wykresy naprężeń wynikowych w funkcji zasięgu ich oddziaływania, występujących w obszarze styku elementów węzła. Na podstawie analizy tych wykresów dokonuje się wyboru optymalnej metody obróbki powierzchniowej.The method of optimizing the surface treatment of machine elements, especially friction nodes operating under conditions of contact fatigue, according to the invention consists in the fact that the friction node is subjected to surface treatment using the methods compared, the residual stresses in the produced layers are determined and, after verification of the measurement results, diagrams of the residual stresses are prepared. in these layers as a function of the distance from the surface. Then, based on the technical data of the device in which the tested node works, the spectrum of external loads for extreme operating conditions is modeled for it, and a discrete model and a discrete sub-model of the point of contact of the node elements are built. Using the model and the submodel, the stresses in the contact area of the elements of the node, resulting from external loads, are determined. Then, it makes a superposition of stresses coming from both external loads and own loads, acting in the contact area of these elements, after treatment with the methods compared, and prepares diagrams of the resulting stresses as a function of their impact range, occurring in the contact area of the node elements. Based on the analysis of these charts, the optimal surface treatment method is selected.

Sposób według wynalazku umożliwia wybór najbardziej optymalnej obróbki kształtującej technologiczną warstwę wierzchnią dowolnego węzła tarciowego, która będzie przeciwdziałać niekorzystnym zjawiskom zachodzącym w eksploatacyjnej warstwie wierzchniej. Dzięki zastosowaniu w sposobie według wynalazku metody dyskretyzacji, może on być wykorzystany przy doborze obróbki powierzchniowej elementów stykających się o dowolnym kształcie. Dobór obróbki powierzchniowej tym sposobem uwzględnia anizotropię właściwości sprężystych, a nadto w przypadku naprężeń stykowych umożliwia wyszukanie i wskazanie lokalnych nieciągłości przebiegów, stanowiących miejsca koncentracji naprężeń oraz określenie zakresu występowania naprężeń rozciągających zmniejszających znacząco wytrzymałość na zmęczenie stykowe.The method according to the invention makes it possible to choose the most optimal treatment shaping the technological surface layer of any friction junction, which will counteract the unfavorable phenomena occurring in the exploitation surface layer. Due to the use of the discretization method in the method according to the invention, it can be used in the selection of surface treatment of the contacting elements of any shape. The selection of surface treatment in this way takes into account the anisotropy of elastic properties, and in the case of contact stresses, it allows to find and indicate local discontinuities of the waveforms, which are places of stress concentration, and to determine the range of tensile stresses that significantly reduce the resistance to contact fatigue.

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1 przedstawia węzeł tarciowy krzywka-rolka pompy rozdzielaczowej paliwa, w widoku perspektywicznym, fig. 2 - wykres rozkładu naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni, w warstwie wierzchniej węzła krzywka-rolka, po azotowaniu próżniowym metodą NITROVAC ([1] - pomiar naprężeń metodą rentgenowską, [2] - pomiar naprężeń metodą Waismana-Phillipsa), fig. 3 - wykres rozkładu naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni, w warstwie wierzchniej węzła krzywka-rolka, po azotowaniu konwencjonalnym ([1] - pomiar naprężeń metodą rentgenowską, [2] - pomiar naprężeń metodą Waismana-Phillipsa), fig. 4 - model dyskretny węzła krzywka-rolka i submodel dyskretny miejsca styku krzywki z rolką, fig. 5 - wykres superpozycji naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych w funkcji zasięgu ich oddziaływania, występujących w obszarze styku krzywka-rolka po azotowaniu próżniowym metodą NITROVAC, w ekstremalnych warunkach pracy węzła ([1] - naprężenia od obciążeń zewnętrznych, [2] - superpozycja naprężeń), fig. 6 - wykres superpozycji naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych w funkcji zasięgu oddziaływania naprężeń, występującychThe method according to the invention is illustrated by the following examples with reference to the drawing, in which Fig. 1 shows the cam-roller friction junction of the fuel distributor pump, in a perspective view, Fig. 2 - a diagram of the residual stress distribution as a function of the distance from the surface, in the surface layer of the cam junction - roller, after vacuum nitriding using the NITROVAC method ([1] - stress measurement using the X-ray method, [2] - stress measurement using the Waisman-Phillips method), Fig. 3 - diagram of residual stress distribution as a function of the distance from the surface, in the surface layer of the cam node - roller, after conventional nitriding ([1] - stress measurement using the X-ray method, [2] - stress measurement using the Waisman-Phillips method), Fig. 4 - discrete model of the cam-roller junction and a discrete sub-model of the contact point of the cam with the roller, Fig. 5 - diagram of the superposition of residual stresses and external stresses as a function of their impact range, occurring in the cam-roll interface area after vacuum nitriding using the NITROVAC method, in extreme operating conditions of the node ([1] - stresses due to external loads, [2] - stress superposition), Fig. 6 - diagram of the superposition of residual stresses and external stresses as a function of the stress range, occurring

PL 207 895 B1 w obszarze styku krzywka-rolka po azotowaniu metodą konwencjonalną w ekstremalnych warunkach pracy węzła ([1] - naprężenia od obciążeń zewnętrznych, [2] - superpozycja naprężeń), fig. 7 - model dyskretny węzła koło zębate-koło zębate oraz submodel dyskretny miejsca styku zębów tych kół, fig. 8 - wykres rozkładu naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni, w warstwie wierzchniej węzła koło zębate-koło zębate, po nawęglaniu konwencjonalnym i szlifowaniu ([1] - pomiar naprężeń metodą rentgenowską, [2] - pomiar naprężeń metodą Waismana-Phillipsa), fig. 9 - wykres rozkładu naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni, w warstwie wierzchniej węzła koło zębate-koło zębate, po nawęglaniu próżniowym i szlifowaniu ([1] - pomiar naprężeń metodą rentgenowską, [2] - pomiar naprężeń metodą Waismana-Phillipsa), fig. 10 - wykres superpozycji naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych w funkcji zasięgu oddziaływania naprężeń występujących w obszarze styku kół, po nawęglaniu konwencjonalnym i po szlifowaniu, w ekstremalnych warunkach pracy węzła, ([1] - naprężenia od obciążeń zewnętrznych, [2] - superpozycja naprężeń), fig. 11 - wykres superpozycji naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych w funkcji zasięgu oddziaływania naprężeń, w obszarze styku kół po nawęglaniu próżniowym i szlifowaniu, w ekstremalnych warunkach pracy węzła, ([1] - naprężenia od obciążeń zewnętrznych, [2] - superpozycja naprężeń).In the area of the cam-roller interface after nitriding using the conventional method in extreme operating conditions of the node ([1] - stresses due to external loads, [2] - stress superposition), Fig. 7 - discrete model of the gear-toothed node and Discrete submodel of the contact points of the teeth of these wheels, Fig. 8 - diagram of the residual stress distribution as a function of the distance from the surface, in the top layer of the gear-toothed wheel junction, after conventional carburizing and grinding ([1] - stress measurement using the X-ray method, [2] - stress measurement using the Waisman-Phillips method), Fig. 9 - diagram of the residual stress distribution as a function of the distance from the surface, in the top layer of the gear-toothed wheel junction, after vacuum carburizing and grinding ([1] - stress measurement using the X-ray method, [2 ] - measurement of stresses using the Waisman-Phillips method), Fig. 10 - diagram of the superposition of the residual and external stresses as a function of the extent of the impact of stresses occurring in the area of the wheel contact, to the nave conventional and after grinding, in extreme operating conditions of the node, ([1] - stresses due to external loads, [2] - stress superposition), Fig. 11 - diagram of the superposition of residual stresses and external stresses as a function of stress range, in the area of wheel contact after vacuum carburizing and grinding, in extreme operating conditions of the node, ([1] - stresses due to external loads, [2] - stress superposition).

P r z y k ł a d IP r z k ł a d I

W celu wyboru najkorzystniejszej technologii obróbki powierzchniowej elementów wę z ł a tarciowego krzywka-rolka (fig. 1), wykonanego ze stali HS 6-5-2, pracującego w pompie rozdzielaczowej silnika wysokoprężnego, węzeł ten poddano dwóm rodzajom obróbki powierzchniowej, azotowaniu próżniowemu metodą NITROVAC przy ciśnieniu cząstkowym amoniaku 2 x 10³ Pa i azotowaniu konwencjonalnemu. Charakterystykę wytworzonych warstw i właściwości tych warstw przedstawiono w tablicy 1.In order to select the most advantageous surface treatment technology for the elements of the cam-roller friction tube (Fig. 1), made of HS 6-5-2 steel, working in the distributor pump of a diesel engine, this node was subjected to two types of surface treatment, vacuum nitriding using the NITROVAC with ammonia partial pressure of 2 x 10 ³ Pa and conventional nitriding. The characteristics of the produced layers and their properties are presented in Table 1.

T a b l i c a 1T a b l i c a 1

Metoda azotowania Method nitriding Skład fazowy warstwy wierzchniej Composition phased layers outer Grubość warstwy azotków μιτι Thickness layers nitrides of μιτι Grubość strefy dyfuzyjnej μτ Thickness zones diffusion μτ Moduł sprężystości azotków GPa Modulus of elasticity GPa nitrides Twardość maksymalna w przekroju poprzecznym Maximum hardness in the cross-section NITROVAC Pcz=2x10³PaNITROVAC Pcz = 2x10 ³ Pa γ' γ ' 2:3 2: 3 -100 -100 211,0 211.0 1192 HV0,1 (na powierzchni) 1192 HV0.1 (surface) konwencjonalne conventional ε+γ ε + γ ε ε -12 -12 -100 -100 ε ε 160:181,5* 160: 181.5 * 1184 HV0,1 (na głębokości około 20 μιΓ 1184 HV0.1 (at a depth of about 20 μιΓ γ' γ ' -6 -6 γ' γ ' 195:211* 195: 211 *

* - w zależności od stopnia porowatości* - depending on the degree of porosity

Następnie wyznaczono naprężenia własne w obydwu wytworzonych warstwach i po weryfikacji wyników pomiarów, sporządzono wykresy rozkładu naprężeń własnych w warstwach wierzchnich węzła, wytworzonych porównywanymi metodami, w funkcji odległości od powierzchni (fig. 2 i fig. 3). Następnie w oparciu o dane techniczne pompy rozdzielaczowej paliwa, przedstawione w tablicy 2,Then, the residual stresses in both produced layers were determined and, after verification of the measurement results, graphs of the residual stress distribution in the top layers of the node, produced with the compared methods, were prepared as a function of the distance from the surface (Fig. 2 and Fig. 3). Then, based on the technical data of the fuel distributor pump, presented in Table 2,

T a b l i c a 2T a b l i c a 2

Maksymalna prędkość obrotowa pompy Maximum pump speed [1/min] [1 / min] 2500 2500 Średnica tłoczków Piston diameter [mm] [mm] 9 9 Ciśnienie zasilania Supply pressure [MPa] [MPa] 0,035 0.035 Maksymalne ciśnienie tłoczenia Maximum discharge pressure [MPa] [MPa] 30 thirty Temperatura pracy Working temperature [K] [K] 253:343 253: 343

zamodelowano widmo obciążeń zewnętrznych działających na węzeł krzywka-rolka w ekstremalnych warunkach pracy i zbudowano model dyskretny tego węzła (fig. 4), za pomocą którego wyznaczono naprężenia w krzywce pochodzące od obciążeń zewnętrznych, po czym dokonano superpozycji naprężeń w krzywce po obydwu rodzajach obróbki, pochodzących zarówno od obciążeń zewnętrznych jak i obciążeń własnych i sporządzono wykresy naprężeń wynikowych w funkcji zasięgu oddziaływania naprężeń, w krzywce po obydwu porównywanych obróbkach, w ekstremalnych warunkach pracy węzła krzywka-rolka (fig. 5 i 6). W drodze analizy tych wykresów stwierdzono, iż trwałość krzywki po azotowaniu próżniowym była wielokrotnie wyższa od jej trwałości po azotowaniu konwencjonalnym, co potwierdzono badaniami eksploatacyjnymi.the spectrum of external loads acting on the cam-roller junction in extreme operating conditions was modeled and a discrete model of this node was built (Fig. 4), by means of which the stresses in the cam resulting from external loads were determined, and then the cam stress superposition was made after both types of machining, resulting from both external loads and self-loads, and graphs of the resulting stresses as a function of the stress range were prepared in the cam after both compared treatments, in the extreme operating conditions of the cam-roller junction (Figs. 5 and 6). By analyzing these charts, it was found that the durability of the cam after vacuum nitriding was many times higher than its durability after conventional nitriding, which was confirmed by operational tests.

PL 207 895 B1PL 207 895 B1

P r z y k ł a d IIP r z x l a d II

W celu wyboru najkorzystniejszej technologii obróbki powierzchniowej elementów węzła koło zębate-koło zębate, wykonanego ze stali 17CrNi6-6, pracującego w skrzynce przekładniowej tokarki uniwersalnej, węzeł ten poddano dwóm rodzajom obróbki powierzchniowej, nawęglaniu próżniowemu i nawę glaniu konwencjonalnemu, a nastę pnie obróbce cieplnej i ubytkowej. Nastę pnie wyznaczono naprężenia własne w obydwu wytworzonych warstwach i po weryfikacji wyników pomiarów, sporządzono wykresy rozkładu tych naprężeń w funkcji odległości od pokrytej powierzchni (fig. 8 i fig. 9). Charakterystykę mikrostruktury i właściwości mechaniczne wytworzonych warstw wierzchnich przedstawiono w tablicy 3.In order to choose the most advantageous surface treatment technology for the elements of the gear-toothed wheel junction made of 17CrNi6-6 steel, working in the gear box of a universal lathe, this node was subjected to two types of surface treatment, vacuum carburizing and conventional carburizing, and then heat treatment and subtle. Then, the residual stresses in both produced layers were determined and, after verification of the measurement results, graphs of the distribution of these stresses as a function of the distance from the covered surface were prepared (Fig. 8 and Fig. 9). The microstructure characteristics and mechanical properties of the produced outer layers are presented in Table 3.

T a b l i c a 3T a b l i c a 3

Materiał: 17CrNi6-6 Material: 17CrNi6-6 nawęglanie próżniowe vacuum carburizing nawęglanie konwencjonalne conventional carburizing struktura TWW structure of TWW martenzyt niskoodpuszczony low-tempered martensite martenzyt niskoodpuszczony low-tempered martensite grubość TWW TWW thickness ~550 μιτι ~ 550 μιτι ~500 μιτ ~ 500 μιτ mikrotwardość microhardness 710 hvi 710 hvi 650 hvi 650 hvi na powierzchni on the surface mikrotwardość microhardness 300 HV1 300 HV1 300 HV1 300 HV1 rdzenia core naprężenia własne pod powierzchnią* residual stresses under the surface * -160 MPa -160 MPa +400 MPa +400 MPa

* wartość średnia naprężeń własnych uzyskana metodą Waismana-Phillipsa Następnie w oparciu o parametry techniczne kół zębatych tworzących węzeł, przedstawione w tablicy 4,* mean value of residual stress obtained by the Waisman-Phillips method Then based on the technical parameters of the gears forming the node, presented in Table 4,

T a b l i c a 4T a b l i c a 4

Moduł Module [mm] [mm] m=4 m = 4 Przełożenie Gear ratio i=2,44 i = 2.44 Liczba zębów Number of teeth z1=25 z1 = 25 z2=61 z2 = 61 Średnica podziałowa Pitch diameter [mm] [mm] d1=100 d1 = 100 d2=244 d2 = 244 Wysokość zęba Tooth height [mm] [mm] h1=h2=9 h1 = h2 = 9 Grubość zęba Tooth thickness [mm] [mm] b=30 b = 30 Odległość osi Axis distance [mm] [mm] ao=172 ao = 172 Moment obrotowy Torque [Nm] [Nm] M=1517 M = 1517

zamodelowano widmo obciążeń zewnętrznych działających na ten węzeł w ekstremalnych warunkach pracy i zbudowano model dyskretny tego węzła (fig. 7), za pomocą którego wyznaczono naprężenia w kołach zębatych, pochodzące od obciążeń zewnętrznych, po czym dokonano superpozycji naprężeń pochodzących od obciążeń zewnętrznych i obciążeń własnych w kołach po obydwu rodzajach obróbki i sporządzono wykresy naprężeń wynikowych w funkcji zasięgu oddziaływania naprężeń, w ekstremalnych warunkach pracy optymalizowanego węz ł a (fig. 10 i 11).the spectrum of external loads acting on this node under extreme operating conditions was modeled and a discrete model of this node was built (Fig. 7), by means of which the stresses in the toothed wheels, resulting from external loads, were determined, and then the stress superposition from external loads and own loads was made in wheels after both types of treatment and graphs of the resulting stresses as a function of the extent of the stress impact were prepared, in the extreme operating conditions of the optimized node (Figs. 10 and 11).

W drodze analizy tych wykresów stwierdzono, iż bardziej optymalną obróbką jest nawęglanie próżniowe, gdyż po nawęglaniu konwencjonalnym i szlifowaniu, w pobliżu punktu tocznego w obszarze zazębienia kół pojawiły się naprężenia rozciągające o wartości maksymalnej około +600 MPa, natomiast po nawęglaniu próżniowym i szlifowaniu, wynikowe naprężenia w obszarze zazębienia kół wykazywały wartości ujemne od -100 do -180 MPa. Wyniki tej optymalizacji w pełni potwierdziły badania eksploatacyjne.By analyzing these charts, it was found that a more optimal treatment is vacuum carburizing, because after conventional carburizing and grinding, tensile stresses of a maximum value of about +600 MPa appeared near the rolling point in the area of wheel meshing, while after vacuum carburizing and grinding, the resulting the stresses in the area of wheel meshing were negative from -100 to -180 MPa. The results of this optimization were fully confirmed by operational tests.

Claims

Patent claim

A method of optimizing the surface treatment of machine elements, especially friction nodes operating under conditions of contact fatigue, characterized by the fact that the friction node is subjected to surface treatment using the methods compared, the residual stresses in the produced layers are determined and, after verification of the measurement results, diagrams of the residual stress distribution in these layers are prepared. as a function of the distance from the covered surface, then based on the technical data of the device in which the tested node works, the spectrum of external loads acting on the tested node under extreme operating conditions is modeled and a discrete model of the tested node and a discrete sub-model of the contact point are built elements of the node, by means of which the stresses in the contact area of the elements of the node, resulting from external loads, are determined, and then the superposition of stresses resulting from external loads and own loads, acting in the area of contact of these elements, is performed, after treatment compared to methods and draws up graphs of the resulting stresses as a function of their impact range, occurring in the area of contact of the elements of the node, and on the basis of the analysis of these graphs, the optimal method of surface treatment is selected.