Сущность метода дробеструйного упрочнения металла. Развитие и вклад отечественных ученых в развитие дробеструйной обработки. Современные исследования в области упрочнения металлов, описание дробеструйной установки современного образца с микрошариками.
Аннотация к работе
Сущность метода дробеструйного упрочнения заключается в том, что деталь, в совершенно готовом виде прошедшая механическую и термическую обработку, подвергается действию потока дроби. При этом меняются физические свойства поверхностного слоя металла, повышаются его твердость и прочность, создается благоприятное распределение внутренних напряжений по сечению детали, а также видоизменяется форма и ориентация кристаллических зерен поверхностных слоев так, что сопротивление этих слоев пластической деформации и разрушению повышается. Конечно, в упрочнении детали при ее наклепе дробью большую роль играют те макроскопические изменения в металле, которыми сопровождается этот процесс, а именно: специфическая текструктура поверхностного слоя детали, изменение размера, формы кристаллов, определенная ориентация кристаллографических плоскостей и т. п. Лишь в 1929 г., когда эксперименты по обкатке роликом показали эффективность этого процесса, делаются первые попытки дробеструйного наклепа деталей с целью повышения усталостной прочности. Не смотря на то, что явление упрочнения металла и детали в целом, наблюдаемое при дробеструйной обработке, еще не достаточно изучено, он описывает процессы, происходящие в в металле при пластической деформации, а также выдвигает теорию пластической деформации, согласно которой «скольжение в кристалле есть результат смещения линейного изъяна решетки, так называемой дислокации» [1]Рассматривая развитие проблемы упрочнения материалов в истории, можно сделать вывод, что метод дробеструйной обработки весьма перспективен. Прежде всего это относится к роли поверхностного наклепа в условиях контактной усталости и коррозии под напряжением. Прогресс техники, как известно, в значительной степени зависит от повышения физико-механических свойств конструкционных материалов - сталей и сплавов приводит к повышению их чувствительности к концентрации напряжений. Вместе с тем, увеличение статической прочности деталей не всегда равнозначно повышению их долговечности, так как с ростом предела прочности увеличивается вероятность усталостного и хрупкого разрушения деталей.
Введение
Современные энергетические, транспортные и другие машины работают в условиях динамических нагрузок. Их качество в значительной мере определяется усталостной прочностью наиболее ответственных деталей. Успехи металлургов и металловедов позволили значительно расширить номенклатуру применяющихся в настоящее время машиностроительных материалов. Специфические свойства и высокие механические характеристики многих из них являются для конструктора мощным средством в создании прочных и надежных механизмов.
Надежность работы машин непосредственно связана с качеством поверхностного слоя детали, которое характеризуется геометрическими и физико-механическими параметрами. При эксплуатации детали машин контактирует друг с другом или окружающей средой. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства - сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и т. д. В связи с интенсификацией эксплуатационных процессов, увеличением скоростей перемещения рабочих органов, повышением температуры и давлений, роль и качество поверхностного слоя значительно возрастают. Связь характеристик качества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей, свидетельствует о том, что поверхность должна быть достаточно твердой, должна иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью упорной поверхности.
После того, как было установлено, что поверхность деталей - ее качество и механические свойства - является основным фактором, определяющим усталостную прочность деталей, требования к ней резко возросли. Даже тщательно обработанная поверхность является носителем если не конструктивных (галтель, выточка), то технологических (следы механической обработки) или эксплуатационных (царапины, коррозия) концентраторов напряжений.
Даже незначительное механическое повреждение поверхности или ее дефекты могут послужить очагами зарождения усталостной трещин и предопределить преждевременное разрушение детали.
Для устранения концентраторов напряжений обычно применяется шлифовка, полировка и тому подобные технологические процессы. Но даже после тщательной полировки поверхность детали все же сохраняет микроскопические риски и надрезы.
Таким образом, технологические процессы, преследующие улучшение микро- и макрогеометрии поверхности, не всегда являются эффективным средством повышения усталостной прочности деталей, а в некоторых случаях могут оказаться не столь полезными, сколь вредными.
Поверхностные слои определяют прочность детали в целом также и потому, что при основных видах напряженного состояния в реальных деталях (изгиб, кручение) эти слои испытывают максимальное напряжение от внешних нагрузок.
Упрочнение поверхности является радикальной и эффективной мерой повышения усталостной прочности детали в целом. Одним из методов поверхностного упрочнения является дробеструйная обработка. Повышение прочности деталей сложной конфигурации, без предварительной шлифовки или другой механической обработки, относительно небольшие затраты на специальное оборудование, высокая производительность и эффективность послужили причиной ее быстрого и широкого распостранения на многих заводах.
Есть основание считать, что возможности этого процесса еще далеко не раскрыты. Этому препятствует, с одной стороны, отсутствие теории процесса, с другой - несовершенство методов его контроля.
Сущность метода дробеструйного упрочнения заключается в том, что деталь, в совершенно готовом виде прошедшая механическую и термическую обработку, подвергается действию потока дроби. Дробинки, увлекаемые воздушной струей или отбрасываемые лопатками быстро вращающегося ротора, производят поверхностный наклеп детали. При этом меняются физические свойства поверхностного слоя металла, повышаются его твердость и прочность, создается благоприятное распределение внутренних напряжений по сечению детали, а также видоизменяется форма и ориентация кристаллических зерен поверхностных слоев так, что сопротивление этих слоев пластической деформации и разрушению повышается.
Дробеструйный наклеп, так же как и другие методы поверхностного упрочнения, более эффективно повышает усталостную, а не статическую прочность деталей. Это объясняется повышенной чувствительностью усталостных характеристик и в частности предела выносливости к качеству поверхности детали. Различного рода концентраторы напряжений, обычно сосредоточенные на поверхности, являются очагами возникновения усталостной трещины. Снижению усталостной прочности поверхностных слоев способствует также весьма часто наблюдающееся их обезуглероживание при термической обработке.
Явление упрочнения металла детали в целом, наблюдаемые при дробеструйной обработке еще не достаточно изучены. Однако не вызывает сомнения, что при наклепе возрастает сопротивление металла пластической деформации, заметно увеличиваются его твердость и усталостная прочность, в то время как характеристики, связанные с пластичностью, вязкостью, такие, как удлинение и работа деформации, падают. Конечно, в упрочнении детали при ее наклепе дробью большую роль играют те макроскопические изменения в металле, которыми сопровождается этот процесс, а именно: специфическая текструктура поверхностного слоя детали, изменение размера, формы кристаллов, определенная ориентация кристаллографических плоскостей и т. п. Сюда же следует отнести некоторую анизотропию механических свойств наклепанного металла, а также благоприятное распределение внутренних напряжений по сечению детали, связанных с неоднородным наклепом по ее глубине.
1. Развитие дробеструйной обработки. Вклад отечественных ученых в развитие дробеструйной обработки дробеструйное упрочнение поверхность установка
1.1 Первый вклад в упрочнение материалов
Впервые дробеструйная обработка как средство, повышающее усталостную прочность детали, была применена Гербертом, который в 1927 г. предложил так называемый процесс «дождевание» (cloudbursting). При «дождевании» использовались стальные шарики диаметром 3 мм, которые, падая с определенной высоты, осуществляли поверхностный наклеп детали. Более объективные данные говорят о том, что этот процесс преследовал лишь цель повышения твердости; усталостное же упрочнение детали благодаря поверхностному наклепу было в то время еще неизвестно. Лишь в 1929 г., когда эксперименты по обкатке роликом показали эффективность этого процесса, делаются первые попытки дробеструйного наклепа деталей с целью повышения усталостной прочности. Вначале упрочнению подвергались лишь витые пружины, однако уже в 1935 г. дробеструйный наклеп стал применяться при производстве многих других ответственных деталей.
Одними из первых исследователей в упрочнении материалов дробью были М.М. Саверин, И.В. Кудрявцев, А.В. Рябченков и др.
Процесс механического наклепывания путем ударов стальными шариками, свободно сидящими в упрочнителе, разработанный в СССР М.И. Кузьминым, применяется в машиностроении для повышения усталостной прочности и других эксплуатационных свойств деталей.
Этот процесс механического упрочнения позволяет наклепывать шариками внутренние и наружние поверхности тел вращения, плоские поверхности и поверхности типа «ласточкин хвост»
В 1949г. Саверин М.М. впервые описывает сущность процесса дробеструйного наклепа, его возможности и практическое применение. Не смотря на то, что явление упрочнения металла и детали в целом, наблюдаемое при дробеструйной обработке, еще не достаточно изучено, он описывает процессы, происходящие в в металле при пластической деформации, а также выдвигает теорию пластической деформации, согласно которой «скольжение в кристалле есть результат смещения линейного изъяна решетки, так называемой дислокации» [1]
Кроме того, Северин М.М. экспериментально устанавливает, что вне зависимости от того, присутствуют или отсутствуют внутренние напряжения первого рода в наклепанном металле, его твердость и усталостная прочность оказываются повышенными. А затем приводит анализ, который охватывает не только случай упрочнения гладких деталей, отличающихся по своим абсолютным размерам, но также случай упрочнения деталей, имеющих различного рода поверхностные концентраторы напряжений [2]
Впервые предлагаются методы контроля, позволяющие без разрушения детали оценить эффективность ее дробеструйной обработки в отношении достигаемого упрочнения. Сущность метода заключается в том, что одновременно с обработкой детали или вместо нее под поток дроби помещается эталонная пластинка, укрепленная четырьмя винтами на специальной колодке. Односторонний наклеп дробью этой пластинки при соответствующем режиме предопределит неоднородное распределение остаточных напряжений по ее сечению. После освобождения от колодки она примет сферическую форму. За критерий интенсивности соответствующего метода нужно считать стрелу прогиба этой пластинки.
Рисунок 1. Контрольная пластинка на специальной колодке
Кудрявцев И.В. в 1946 г. провел экспериментальные исследования влияния остаточных напряжений на усталостную прочность деталей. Были использованы образцы диаметром в рабочей части 18мм. Испытания велись на машинах ЦНИИТМАШ. Образцы были изготовлены на нормализованной углеродистой стали с 0,4% С. После чего, установлено, что предел выносливости наклепанных дробью образцов почти не не изменяется ,если после этого наклепа образцы шлифуются на небольшую глубину. [3]
В 1949 г. были известны методы ППД: дробеструйный, дробеметный и обкатка роликом, но спустя 25 лет их стало известно около тридцати. В1958 г. первое практическое внедрение в промышленности получил метод обработки дробью с применение смазывающе-охлаждающей жидкости, созданный для упрочнения ажурных лопаток компрессора из титанового сплава. [4] Внедрение этого способа ППД обеспечило повышение предела выносливости допаток на 20% при шероховатости Ra = 1,6 мкм по сравнению с упрочнением сухой дробью.
Затем выпускалось множество трудов, основанных на исследованиях М.М. Северина, достаточно упомянуть статьи И.С. Козловского[5,6,7], З.Л. Регирера[8,9], С.Е. Ломаченкова и П.И. Попова[10], В.Г. Прокофьева[11], Н.Ф. Болховитинова[12], в которых излагается отечественный и иностранный опыт по дробеструйной обработке металлов.
В 1958 г. Е.Д. Гущин, В.В. Савотченко, В.Н. Баханов, В.М.Иванов и С.П. Бортников создают одну из первых отечественных дробеструйную установку для упрочнения поверхности наклепом дробью. [13]
Изобретение позволяет расширить технологические возможности путем обеспечения оптимального потока дроби различных фракций. На установке обрабатываются детали из различных материалов, в своем большинстве крупногабаритные.
В большинстве исследований изучение зависимости предела выносливости от прочностных свойств материала проводилось на сталях низкой и средней прочности (в отожженном, нормализованном или термически улучшенном состоянии). Полученные результаты свидетельствовали о существовании линейной зависимости между пределом выносливости при изгибе и пределом прочности при растяжении, а также о наиболее сильной корреляционной связи между этими характеристиками.
Рисунок 2. Дробеструйная установка, созданная Е.Д. Гущиным, В.В. Савотченко, В.Н. Бахановым, В.М.Ивановым и С.П. Бортниковым
По мнению таких исследователей как Гуревич С.Е. [14], Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. [15], предел выносливости увеличивается пропорционально пределу прочности лишь до некоторых значений, после чего рост замедляется. Сторонники этой точки зрения и расходились в определении конкретной величины экстремального значения, но обработали стастические данные, используя математический метод. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью регрессионного анализа на ЭВМ по программе О.М. Дукарского.
В 70-х годах были проведены исследования по влиянию наклепа на усталость и подробно описаны в трудах С.И. Ратнера, Е.Т. Котикова, С.И. Кишкина [16,17,18]. Это колоссальный вклад в авиционную промышленность, т. к. чтобы эффективно использовать в авиационной технике высокие значения механических свойств металлов, необходимо всемерно повышать их конструкционную прочность. Она зависит не только от природы самого материала, но и от условий его работы, в особенности от рабочей среды, формы и размеров детали. Условия работы авиационной техники, где запасы прочности малы, существенно отличаются от условий работы машин и механизмов общего машиностроения. Авиационные конструкции испытывают многократно повторяющиеся высокие нагрузки при взлете, посадке, маневрировании, при полете в неспокойном воздухе и т. д. В условиях таких высоких повторных нагрузок механизм влияния поверхностного упрочнения на конструкционную прочность существенно отличается от того, который действует в области высоких напряжений, характерных для условий обычной усталости. Уточнение этого механизма было необходимо, потому что от правильного его понимания зависело и направление технологических решений и выбор оборудования для наклепа.
1.2 Развитие дробеструйной обработки в 80-е - 90-е годы
Если рассматривать развитие данного вида упрочнения в годы перестройки, можно проследить особенную активность в области исследовании этого вопроса и оформлении ряда интересных патентов. В данной работе я рассмотрю малоизвестные, но не менее значимые открытия, характерные для этого периода, т. к. нельзя умалять вклада тех ученых в рассмотрение вопроса об упрочнении металлов дробью.
В.Н. Гурницкий в 1983 году создает устройство для обработки деталей дробью, содержащее электромагнитную систему, включающую электромагнитные катушки с электропривода. Целью изобретения является повышение производительности устройства путем увеличения энергетического воздействия дроби на деталь.
В том же, 1983 году А.К. Каменец, Е.Н. Семенов, А.Г. Оленец тоже создают устройство для обработки деталей дробью, отличающееся тем, что установка снабжена блоками управления для регулирования длительности частоты следования импульсов, на направляющую трубу надеты катушки без сердечников, питаемые от блоков импульсами постоянного тока. Все это сделано для получения разных скоростей дроби на выходе.
В 1987 году Ю.В. Буровский и В.И. Ушаков создают сопособ управления потоком ферромагнитного материала и устройство для его осуществления с целью поышения точности подачи материала.
В этом способе управления потоком ферромагнитного материала, заключающемся в наложении на поток материала постоянного и импульсных магнитных полей, смещают поле постоянного магнита импульсным магнитным полем в направлении подачи материала
В 1989 году П.Д. Щукин, А.М. Борисов, Х.И. Фролова, Б.И. Шухман разрабатывают распределительный узел дробеметного аппарата с целью снижения шума при работе дробеструйной установки. Нагнетательная канавка распределительной камеры выполнена по спирали с наклонными боковыми стенками, а для облегчения ремонта и обслуживания аппарата загрузочная воронка выполнена составной и снабжена менным закаленным кольцом, что позволяет сократить расход материала в несколько раз.
В 1996 году Дудкина Н.Г., Федоров А.В, Усов В.В. изобретают споособ определения динамической твердости упрочненного слоя и по ней, а также по скорости и диаметру дроби рассчитывают толщину упрочненного слоя. Для обеспечения технического результата, заключаещегося в получении высоких эксплуатационных характеристик деталей и конструкций, поток дроби при дробеструйной обработке направляют под углом 90 градусов к обрабатываемой поверхности через смещенные относительно друг друга по окружности два отверстия, выполненные во вращающихся с равной частотой вращения экранах.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ определения толщины наклепанного слоя через параметры дробеструйного упрочнения, является способ М.М. Северина. Однако данный способ позволяет определять толщину упрочненного слоя весьма приближенно, т. к. в расчетах используются трудноопределимые на практике величины, а скорость дроби рассчитывается на основании идеализированных моделей траекторий движения дроби в дробеструйных аппаратах.
В этой связи важной задачей являлось создание нового способа определения толщины упрочненного дробеструйным наклепом поверхностного слоя безобразцовым методом с точным определением толщины упрочненного слоя, по установленной скорости дроби при воздействии потока дроби под указанным углом падения.. Современные исследования в области упрочнения металлов с помощью дробеструйной обработки
2.1 Современная дробеструйная установка
Рисунок 3. Современная дробеструйная установка для упрочнения микрошариками
На данный момент рынок промышленного оборудования предлагает широкий выбор дробеструйных камер, в зависимости от потребностей: типа производства, типа деталей и их габаритов и т. д. В своем большинстве, камеры оснащены автоматическими многоосевыми соплами, позволяющими добраться дробинкам в самые труднодоступные места. Это упрощает задачу упрочнения деталей в разы по сравнению с тем же решением вопроса в советские времена.
В зависимости от потребностей, камеры оснащаются: напорными пескоструйными установками, системами автоматического сбора абразива, системами сепарации абразива, промышленными фильтрами и системами вентиляции, компрессорным оборудованием. Очищаемая деталь при помощи тележки либо какого-то другого транспортного механизма помещается внутри камеры, где и происходит обработка изделий.
Для большого объема обрабатываемых деталей и исключения человеческого фактора при обработке изделий применяют автоматизированные дробеметные установки или так называемые дробеметы.
Дробеметные установки используются для упрочнения поверхностей зубчатых колес, шестерней, валов, пружин, крепежа, других деталей и узлов, а также для наклепа крупногабаритных конструкций. В настоящее время также активно применяется в сроительстве, машиностроении, авиации и военной промышленности.
Что касается качества дроби, то прогресс здесь тоже не стоит на месте. Если раньше минимальный диаметр дроби равнялся 1,2 мм, то сейчас он достигает 0,3 мм, т. е Реальный размер не превышает размера песчинки.
Дробь стальная литая используется для обработки металлоконструкций и проката, отливок из стали и чугуна. Качество дроби напрямую зависит от содержания углерода в стали. На сегодняшний день существует литая стальная дробь с высоким содержанием углерода, низкоуглеродная стальная дробь и со средним содержанием углерода. Главным показателем качества дроби для дробеструйной обработки является износостойкость и интенсивность воздействия на обрабатываемую поверхность. Износостойкость разных видов литой дроби лежит в пределах от 2500 до 5000 циклов использования.
Кроме того, существует огромный спектр видов дроби, в зависимости от поставленных целей: стальная литая дробь, стальная рубленая дробь, колотая дробь, чугунная колотая дробь, алюминиевая дробь, керамическая, стеклянная, пластиковая, электрокорунд.
2.2 Последние исследования в области дробеструйной обработки
Безусловно, вопрос упрочнения материалов является злободневным и требует особого внимания со стороны ученых. В наше время, когда человек понял, что ресурсы не бесконечны, единственным выходом является продлить жизнь тому, что уже существует, увеличить ресурс вдвое, а то и втрое. До того времени, как человек окончательно покорит космос и научится выращивать монокристаллы, не содержащие никаких посторонних примесей и являющимися сверхпрочными материалами, он должен покорить прочность материалов здесь, на Земле.
И, конечно, одним из важнейших направлений в упрочнении является дробеструйная обработка. В наши дни, как оказалось, это волнует немало светлых умов. Изучив патенты, статьи за последние 10 лет, можно сделать вывод, что это без сомнений перспективное направление, так как занимает такие известные корпорации как HITACHI, Mitsubishi, SIEMENS и т. д. И владельцами большинства патентов, как это ни прискорбно, являются именно они. Но и Россия пытается не отставать от последних течений в науке и кое-чем нас радует.
В 2000 году уроженец из Тольятти запатентовал устройство для упрочения внутренних поверхностей цилиндров. Изобретение это отличается своей необычайной уникальностью, т. к. обеспечивает равномерность отделки и упрочнения в результате обработки внутренних поверхностей цилиндров, включая граничные участки их торцев. [20]
Рисунок 4. Устройство для упрочнения внутренних поверхностей цилиндров
В 2011 году Жихарев А.В., Пудков С.И, и Тараскин В. С открыли способ комплексного упрочнения с целью повышения усталости деталей из титановых сплавов [19]. Согласно этому способу, дробеструйное упрочнение на обрабатываемом участке осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60с., а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6ч. При температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450 градусов Цельсия.
Оценка эффективности комплексного упрочнения проводилась на лопатках из титанового сплава. Комплексное упрочнение позволило получить наибольшие значения предела усталости.
Вывод
Рассматривая развитие проблемы упрочнения материалов в истории, можно сделать вывод, что метод дробеструйной обработки весьма перспективен. Хотя он и не может рассматриваться, как некая новая задача, тем не менее имеет многие стороны, которые остаются еще до сих пор мало изученными. Прежде всего это относится к роли поверхностного наклепа в условиях контактной усталости и коррозии под напряжением.
Прогресс техники, как известно, в значительной степени зависит от повышения физико-механических свойств конструкционных материалов - сталей и сплавов приводит к повышению их чувствительности к концентрации напряжений. В своей работе я подробно изучу эту проблему.
Конструкционная прочность - это сложная характеристика, которую нельзя оценить каким-либо одним универсальным параметром, например удельной прочностью. Она зависит не только от природы самого материала, но и от условий его работы, в особенности от рабочей среды, формы и размеров детали. Огромное значение в этом плане имеет технология изготовления деталей.
Вместе с тем, увеличение статической прочности деталей не всегда равнозначно повышению их долговечности, так как с ростом предела прочности увеличивается вероятность усталостного и хрупкого разрушения деталей. Использование высокопрочных сталей ограничивается большой их чувствительностью к концентрации напряжений, к различного рода дефектам поверхности, загрязненности неметаллическими включениями, наводораживанию. Поэтому, когда наряду с высокими величинами упругости детали должны обладать большим сопротивлением переменным и динамическим нагрузкам, коррозии под напряжением, использование высокопрочных сталей оказывается малоэффективным.
В настоящее время накоплен большой опят в разработке новых способов повышения надежности деталей и конструктивных узлов.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР №1315270, кл. В2 С3/14, 1985.
2. Гуревич С.Е., Одинг И.А., Усталостная прочность высокопрочной стали. - В кн.: Металлы. М., «Наука», 1965, с126-130
3. Казаков В.М., Патент №2160660 2000г
3.Козловский И.С., Американская техника и промышленность №5, 1945