SU975814A1 - Способ упрочнения изделий 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначается для упрочнения термообработанных деталей, испытывающих статические и циклические нагрузки.

5

Известен способ упрочнения стальных изделий закалкой с отпуском и последующим деформированием гидроэкструзией £1 ].

Известен также способ упрочнения Ю стальных изделий закалкой с отпуском и последующим деформированием прессованием £ 2^

Однако при данных способах деформирования из-за невысокого уровня остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях деталей их устаг лостная прочность незначительна.

Известен способ повышения предела усталости у деталей, испытывающих действие длительных нагрузок,

'заключающийся в холодной деформации поверхности, в частности обкаткой

2 :

или другими способами, и последующем частичном снятии деформированного слоя. Поверхностный слой снимается до тех пор, пока не будет достигнута зона максимального упрочнения, определяемая экспериментально по замерам микротвердости наклепанного слоя Гз].

Однако этот способ повышает только усталостную прочность, но не позволяет повысить статические характеристики деталей вследствие наклепа только поверхностного слоя деталей .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, включающий термомеханическую обработку и последующий поверхностный наклеп любым способом: обкаткой роликами, вибронаклепом и др. Термомеханическая обработка при этом может включать высокотемпературную термомеханическую об3

975814 .

4

работку (ВТМО) или ВТМО с последующим деформационным старением мартенсита (ДСМ) [4].

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает 5 достаточного повышения статической и циклической прочности. 'Гак, после обработки, включающей ВТМО, с последующим поверхностным наклепом деталей, например торсионных валов из 10 стали 45ХН2МФЛШ, их предел пропорциональности (статическая прочность) составляет не более 1400 МПа, а остаточные сжимающие напряжения расположены только в поверхностных слоях на <5 незначительной,глубине (1,5-2,0 мм), что не обеспечивает достаточно высокой циклической прочности. После об-^; работки, включающей ВТМО, ДСМ с пос- \ ледующим поверхностным наклепом достй-(20 гается повышение предела пропорциональ³ ности у торсионных валов из той же марки стали до 1500 МПа, а средняя долговечность составляет 610 тыс. циклов. Однако после этого вида обработ- 25 ки также не удается достичь достаточно высокого предела прочности и долговечности, так как после ДСМ в поверхностных слоях деталей образуются растягивающие остаточные напряжения, зо которые снижают долговечность валов.

Для повышения долговечности валов до заданной контрольной цифры приходится увеличивать усилие при поверхностном обкатывании, что приводит к ₃₅ снижению предела? пропорциональности (статической характеристики) на 2~3%, поэтому этим способом достигается предел пропорциональности у торсионных валов стали 45ХН2МФАШ 1500 МПа вместо 1540 МПа, который мог быть получен, если бы.не приходилось повышать усилие обкатывания для сохранения заданной циклической прочности.

Цель изобретения - повышение циклических и статических характеристик упрочняемых деталей.

Поставленная цель достигается тем, что по известному способу упрочнения, включающему термомеханическую обработку и поверхностный наклеп обкаткой роликами, перед'поверхностным наклепом производят механическую обработку поверхности, при этом в процессе механической обработки удаляют слой, толщину которого определяют из соотношения

(1)

где ί - толщина снимаемого слоя, мм; 7,2-коэффициент, имеющий размерность в мм;

1₀~ начальная длина прокатываемого участка вала, мм;

Е - конечная длина этого участка, после раскатки, мм,

а поверхностный наклеп производят при усилии, равном 0,7-0,8 усилия обкатки .

Эта эмпирическая зависимость выведена на основании результатов экспериментальных, работ по исследованию распределения остаточных напряжений по сечению термообработанных деталей в зависимости от степени деформации при ДСМ в пределах 0,2-1,0%. Указанный интервал степеней деформации является оптимальным с точки зрения получения комплекса механических свойств.

Поверхностный наклеп производят при усилии, равном 0,7“0,8 оптимального усилия обкатки Р4 , применяемого в существующей технологии, т.е. когда механическая обработка (резанием) выполняется до операции ДСМ.

При обкатке с усилием, меньшим 0,7 Р/ не обеспечивается требуемый уровень свойств деталей, а увеличение. усилия обкатки более 0,8 незначительно влияет на характеристики деталей.

Изменение последовательности выполнения действий во времени позволит удалить поверхностный слой с растягивающими напряжениями, в результате чего на поверхности до значитель·^ ной глубины (0,5-0,6)г , где г - радиус детали, будут находиться сжимающие остаточные напряжения величиной до 200-300 МПа. Это, в свою очередь, позволит уменьшить усилия при последующем поверхностном обкатывании роликами, поскольку в поверхностных слоях уже имеются сжимающие напряжения .Уменьшение усилия при поверхностном обкатывании приведет к незначительному уменьшению статических характеристик деталей после этой операции, что в сочетании с наличием сжимающих остаточных напряжений, находящихся на значительной глубине (деталь находится как бы в толстой "рубашке" сжимающих напряжений), позволит получить более высокие значения циклических ,и статических характеристик деталей по сравнению

5

975814

6

с характеристиками деталей, полученных известным способом. Так, например, для торсионного вала из стали 45ХН2МФАШ получены значения пределу пропорциональности 1550 МПа и долго- 5 вечности (Νξρ) - 762 тыс. циклов, что. соответственно на 3~5% и 20-30% выше, чем у валов, с поверхности которых не удалялся! слой с растягивающими остаточными напряжениями.

На фиг. 1 изображены эпюры распределения осевых остаточных напряжений по сечению вала, где эпюра 1 - распределение осевых остаточных напряжений после ВТМО и поверхностного 15 обкатывания роликами (по известному способу); эпюра 2- распределение осевых остаточных напряжений после ВТМО и ДСМ; эпюоа 3 - Распреде^е-. ние осевых остаточных Напряжений пот 20 еле ВТМО, ДСМ и механической обработки; эпюра 4 - распределение осевых остаточных напряжений после ВТМО, ДСМ, механической обработки и поверхностного обкатывания роли- 25 ками (по предлагаемому способу).

На фиг. 2 изображена'обрабаты-/ ваемая деталь, где 8^ диаметр стержня вала; Ь - общая длина.вала; и длина головок.; Е - длина про- 3®

•катываемого участка вала.

Пример. Проводят упрочняющую обработку торсионного вала, изготовлен-, ного из стали 45ХН2МФАШ,имеющего следующие геометрические размеры: диа- э$ метр стержня 8_СТ47,0±0,4 мм; диаметр шлицевых головок 8^ 73_^^эи бБ^мм; длина вала I 23Ю_₄’рМм.

Обработку вала осуществляют в еле-40 дующей последовательности.

В начале производят предварительную механическую обработку.

Размеры вала, его длину и диаметр после операции механической обработки45 определяют расчетным путем. При. этом учитывают удлинение вала в результате последующей упрочняющей холодной раскатки и припуск, необходимый для снятия с обезуглероженного слоя и { $о слоя с растягивающими остаточными напряжениями . _

Затем производят высокотемпературную термомеханическую обработку, после чего - деформационное старение ⁵⁵ мартенсита, которое включает упрочняющую раскатку по "черной" поверхности вала со степенью деформации 0,5% с

низкотемпературным отпуском при температуре - 150°С и выдержке 3 ч.

Оптимальной степенью деформации для стали 45ХН2МФА1И при упрочняющей раскатке, обеспечивающей необходимый комплекс механических свойств, является 0,5%.

Степень деформации.- относительное удлинение раскатываемого участка вала, выраженное в процентах:

[Г = % . (2)

<-0 . .

где начальная длина раскатывав¹ мого участка вала, мм;

| - конечная длина этого участка

после раскатки, мм; которая определяется, исходя из чертежных размеров по следующей зависимости: '·

I = ь -(£ + V (3)

где Ь - общая длина вала по чертежу, мм;

Ей Р - длина шлицевых головок вала, мм.

Конечная длина раскатываемого участка вала равна '

I =2310 -(73+65)=2172 мм.

Начальная длина раскатываемого участка вала определяется из форму ;лы (2):

« ₌гюо% о ζτ+ϊδδ%

2172*100

δΤΒ+Τδδ"

=2161 мм

Общая начальная длина вала, которая задается после предварительной механической обработки, будет больше на длину головок вала и равна

ί_ό= 2161 +73+65 = 2299

мм.

ΐ Припуск на шлифование для снятия :обезуглероженного слоя с учетом кри*

‘визны вала, определенный в условиях конкретного производства, составляет 0,5 мм.

ί Толщина слоя, в котором располагаются растягивающие остаточные напряжения, определяется по формуле

¢-7,2 (££а-)^оД

и равна

-,2172-2161 , . с - Ζ»^ζ'“-£ϊζΐ----1 ^мм<

7 975814 8

Таким образом, слой, в котором расположены остаточные растягивающие напряжения, находится в пределах припуска на шлифование для снятия обезуглероженного слоя. Дополнительного съема 5 металла не требуется.

Диаметр стержня вала после предварительной механической обработки рассчитывается по следующей зависимости:

(О

8 = 8 + 2Δ.+ΔΚ (4)

(ΆΟ ст Ί

где 8,- диаметр вала после механической обработки, мм;

8р- диаметр вала по чертежу, . 1$

мм;

2Δ^ - припуск на шлифование для снятия*обезуглероженного слоя и слоя с растягивающими напряжениями, равный 1,0 мм;20

Δ.Η - обжатие на диаметр при упрочняющей раскатке со степенью деформации 0,5%, равное 0,15 мм.

2$

8 =47,0+1,0+0,15=48,15 мм. мо

После операции упрочняющей раскатки в поверхностных слоях залегают значительные растягивающие напряжения ве-30 личиной 800-1000 МПа, которые затем переходят в сжимающие, а с глубины' (0,5-0,6) радиуса'детали до ее центра напряжения'становятся растягивающими величиной до 600 МПа (фиг. 1, 35

эпюра 2). После операции упрочняющей ) раскатки'производят шлифование вала со снятием слоя с растягивающими остаточными напряжениями толщиной 0,51 мм. * 40

В результате на поверхности торсионного вала до глубины (0,5-0,6)г находятся сжимающие напряжения вели- . чиной до 200-300 МПа (фиг. 1,эпюра 3).

Поэтому последующий поверхностный ₄₅ наклеп обкатыванием роликами производят при меньшем усилии Р, величину κοτοροτσ определяют по следующей зависимости :

Р = (0,7-0,8) · ⁵⁰

где Р^ - оптимальная величина усилия обкатывания, определенная для валов, упрочненных по из- ₅₅ вестному способу.

Шлифование этих валов производя’ до операции упрочняющей раскатки.

Р< =13 кН.

Таким образом, усилие-'обкатывания равно

в

Р =0,75-¾ =0,75-13 =- 10 кН.

После обкатывания роликами остаточные сжимающие напряжения с поверхности увеличиваются до 1200 МПа, и вся деталь находится как бы в толстой "рубашке" остаточных сжимающих напряжений (фиг. 1, эпюра 4), что повышает ее надежность и прочность, в то время как после обработки по известному способу остаточные' сжимающие напряжения находятся на незначительной глубине 1,5^-2,0 мм (фиг. 1, эпюра 1).

В результате стендовых испытаний торсионных валов, обработанных по изложенной технологии,средняя величи на предела пропорциональности С^_пц) составила 1560 Мпа, а средняя долговечность (Н_С|) - 762 тыс. циклов, что соответственно на 3"5% и 20-30% выше, чем у валов, с поверхности которых не удалялся слой с растягивающими остаточными напряжениями.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит повысить циклические и статические характеристики валов, что на 20-30% повысит их долговечность. За счет снижения усилий при поверхностном обкатывании деталей повышается также и эксплуатационная стойкость накатных роликов, требуются меньшие энергозатраты для проведения данной операции.

Годовой экономический эффект от использования предлагаемого способа .упрочнения изделий составит 66 тыс. руб.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ уп роч ненид изделий, включающий термомеханическую обработку и поверхностный наклеп обкаткой роликами, отличающийся тем, что, с целью повышения циклической и статической прочности изделий, перед поверхностным наклепом производят механическую обработку поверхности, при этом в процессе механической обработки удаляют слой, толщину которого определяют из соотношения

   9 97

   где ι - толщина снимаемого слоя, мм;

   7,2--коэффициент, имеющий размерность в мм;'

   ί - начальная лпина оаскатываео - —

   ^мого участка вала, мм;

   К ^- конечная длина раскатываемого участка вала, мм; а поверхностный наклёп производят при усилии, равном 0,7-0,8 усилия обкатки.

   14 10