Введение к работе
Актуальность проблемы.
Эксплуатация многих деталей машин происходит в условиях многофакторного внешнего воздействия. В технологии их изготовления особое внимание уделяется упрочнению поверхностных слоев, так как именно они определяют усталостную прочность, износостойкость и другие особенности поведения реальных изделий. Спектр методов поверхностного упрочнения деталей машин достаточно широк. В последние десятилетия отчетливо наблюдается тенденция к увеличению доли поверхностной обработки, связанной с термическим воздействием на поверхностный слой. Это объясняется, прежде всего, расширением возможностей концентрированных источников энергии таких, как плазма, лазер, электронный луч, высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ).
Использование этих источников энергии при поверхностной закалке сталей позволяет обеспечить необходимый комплекс физико-механических свойств упрочняемых слоев. Для достижения заданной конструктором точности геометрических параметров деталь, согласно построению традиционного технологического процесса, после поверхностного термического упрочнения проходит стадию финишной механической обработки. В большинстве случаев поверхностно закаленные детали подвергаются шлифованию. При этом в зоне резания могут возникать значительные температуры, приводящие к изменению структуры поверхностного закаленного слоя, что является причиной ухудшения его физико-механических свойств. Наиболее эффективным средством снижения отрицательного воздействия окончательной механической обработки на свойства упрочненного слоя является минимизация припуска.
В работах, выполненных в Новосибирском государственном техническом университете, показано, что максимального уменьшения величины припуска можно достичь при выполнении операций механической и поверхностной термической обработки на одном технологическом оборудовании. В традиционном технологическом процессе данные операции разделены, то есть выполняются на разных производственных участках и на различном технологическом оборудовании. При этом с учетом погрешностей, возникающих на предыдущей стадии технологического процесса, деформации материала при термическом упрочнении и погрешностей переустановки деталей, припуск на чистовую обработку приходится назначать достаточно большим. Его величина может достигать до 40 % глубины поверхностно упрочненного слоя, заданной чертежом. Следовательно, при выполнении термической операции необходимо обеспечивать большую, чем заданную конструктором глубину упрочнения, а затем, на финишной механической операции, приходится удалять значительную, наиболее эффективную часть поверхностного слоя. Это, в целом, приводит к повышенным затратам энергии и снижению производительности обработки на обеих операциях и, зачастую, к появлению дефектов в поверхностном слое.
В связи с этим поиск новых методов комбинированной обработки деталей, фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования фи-
зических процессов, происходящих в материале при их реализации, являются актуальной задачей современного материаловедения. Интеграция операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании, представленная в данной работе, рассматривается как один из реальных путей решения обозначенной проблемы.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (мероприятие 1.1 "Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров совместно с малыми инновационными предприятиями в области высокотехнологичной медицинской техники"), ГК № 02.740.11.0846.
Цель работы: управление структурным и напряженным состоянием поверхностно упрочненных деталей машин и повышение их качества посредством разработки и компьютерной реализации математических моделей физических процессов, происходящих при поверхностной закалке сталей с использованием концентрированных источников энергии и финишном шлифовании.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Определить путем численного моделирования температурных полей значения параметров термических циклов, реализуемых в сталях в процессе шлифования и поверхностной закалки с использованием ВЭН ТВЧ и концентрированного электронного пучка (КЭП), а также установить их зависимость от технологических режимов обработки.
-
Осуществить моделирование структурно-фазовых превращений в сталях и провести экспериментальные исследования упрочненного слоя с целью выявления взаимосвязи между значениями параметров термических циклов и характеристиками качества упрочненного слоя (структурой, глубиной и твердостью).
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния материала для выявления вклада каждого из объединяемых видов обработки в значения и характер распределения остаточных напряжений первого рода по глубине упрочненного слоя.
-
Разработать методику назначения технологических режимов предлагаемой комбинированной обработки, исходя из требований по обеспечению заданной структуры, глубины, твердости упрочненного слоя и рационального распределения остаточных напряжений по глубине материала.
-
Разработать, промышленно апробировать и доказать эффективность комплекса оборудования, инструмента и технологий, реализующих новую комбинированную обработку.
Научная новизна работы:
1. В качестве основного параметра при назначении режимов поверхностной закалки сталей с использованием концентрированных источников нагрева предложено вместо двух параметров: средней скорости и максимальной температуры нагрева, использовать значение интегральной температурно-временной характеристики, определяющей затраты энергии на структурно-фазовые пре-
вращения и гомогенизацию аустенита. Предложенный параметр позволяет более полно описать процесс аустенитизации сталей, а, следовательно, и более точно прогнозировать глубину слоя, претерпевшего структурно-фазовые превращения.
-
Впервые установлены минимальные численные значения интегральной температурно-временной характеристики в зависимости от содержания углерода в сталях и исходного состояния структуры материала, при реализации которой обеспечивается получение мелкозернистого гомогенного аустенита. Данные значения справедливы для любых концентрированных источников вне зависимости от физической природы выделяемой энергии. Более высокие значения этой характеристики приводят к повышенным затратам энергии, расходуемой на рост аустенитного зерна, что, в свою очередь, является причиной формирования в процессе последующего охлаждения более грубой структуры мартенсита.
-
Разработана новая методика назначения режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников энергии, отличающаяся от известных тем, что режимы устанавливаются с учетом не только задаваемой глубины и твердости упрочненного слоя, но и характера распределения остаточных напряжений по глубине материала. Данная методика основана на выявленной взаимосвязи между значениями интегральной температурно-временной характеристики, реализуемой в наиболее теплонапряженном слое материала, и глубиной упрочнения, с одной стороны, и режимами обработки, с другой стороны, что обеспечивает необходимую глубину и твердость упрочненного слоя. Учет зависимости относительной величины переходной зоны от технологических режимов обработки позволяет обеспечить рациональное распределение остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя.
-
Теоретически обосновано и практически доказано появление дополнительного эффекта при использовании предлагаемой комбинированной обработки, выраженного в повышении микротвердости и уровня остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое материла, значения которых не достижимы для каждого из объединенных процессов в отдельности.
-
Доказана возможность появления жидкой фазы в микро- и макрообъемах в глубине нагреваемого слоя стальных деталей с использованием концентрированных объемных источников нагрева. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность образования структуры ледебурита при поверхностной закалке заэвтектоидных сталей.
Практическая ценность работы.
-
Полученные теоретические и экспериментальные результаты послужили основой создания эффективного способа комбинированной обработки стальных деталей, обеспечивающего формирование поверхностного слоя с комплексом повышенных показателей конструктивной прочности.
-
Разработана комплексная методика назначения режимов для технологии интегрированной обработки, позволяющая обеспечить формирование необходимой структуры, глубины, твердости упрочненного слоя, а также рационального распределения остаточных напряжений.
-
На базе предложенной комбинированной схемы обработки созданы новые технологии, внедрение в производство которых позволяет на финишной стадии технологического процесса изготовления деталей в сравнении с традиционной технологией достичь следующих результатов: повысить микротвердость и уровень сжимающих напряжений в поверхностном слое материала на 10.. 15 %; исключить возможность появления брака по прижогам при финишном шлифовании; повысить производительность обработки в 2...4 раза; снизить энергозатраты на обработку в 4...6 раз.
-
Спроектировано, изготовлено и внедрено в производство оборудование, реализующие идею интеграции операций поверхностной закалки и финишного шлифования деталей. Предложен ряд новых технологических решений, а также конструкции устройства и закалочного модуля, реализующие поверхностный нагрев ВЭН ТВЧ и встраиваемые в существующие станочные системы. Новизна полученных решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентом на изобретения.
5. Результаты, полученные при выполнении работы, используются в
учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университе
те при подготовке инженеров по специальностям "Материаловедение в маши
ностроении", "Металлообрабатывающие станки и комплексы", а также бака
лавров и магистров по направлению "Материаловедение и технологии материа
лов".
Реализация работы. Внедрение результатов работы осуществлено на ЗАО "Новосибирский электродный завод", ООО " ПО "Пеноплэкс Новосибирск", ООО "ЭкспертНефтеГаз" (г. Новосибирск) и Новосибирском заводе "Сибтекстильмаш".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Интенсификация технологических процессов механической обработки. Финишные методы обработки", г. Ленинград, 1986 г.; "Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов", г. Брянск, 1986 г.; "Структура и свойства материалов", г. Новокузнецк, 1988 г.; "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической обработки деталей машин и инструментов", г. Махачкала, 1989 г.; первом Всесоюзном съезде технологов машиностроителей, г. Москва, 1989 г.; Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества в механосборочном производстве", г. Пермь, 1991 г.; научно-технической конференции "Типовые механизмы и технологическая оснастка станков-автоматов, станков с ЧПУ и ГПС", г. Киев, 1992 г.; Сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике, г. Новосибирск, 1994 г., 1996 г., 1998 г.; на международных научно-технических конференциях: "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", г. Новосибирск, 1995 г.; "Научные основы высоких технологий", г. Новосибирск, 1997 г.; "Актуальные проблемы электронного приборостроения", г. Новосибирск, 1998 г., 2000 г.; "Инженерия поверхностного слоя деталей машин", г. Кемерово, 2009; "Современные технологии в маши-
ностроении", г. Пенза, 2009; "Инновации в машиностроении", г. Бийск, 2010; "Прогрессивные технологии в современном машиностроении", г. Пенза, 2010; "Технические науки - основа современной инновационной системы", г. Йошкар-Ола, 2012 г.; "Техника и технология: новые перспективы развития", г. Москва, 2012 г.; российско-корейском симпозиуме "The third Russian-Korean international symposium on science and technology", г. Новосибирск, 1999 г., 2001 г.; на международном форуме по проблемам науки, техники и образования "III тысячелетие - новый мир", г. Москва, 2009 г.; на Всероссийских научно-технических конференциях: "Современная электротехнология в промышленности России", г. Тула, 2003 г., 2007 г.; "Новые материалы и технологии в машиностроении", г. Рубцовск, 2004 г.; "Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе", г. Новосибирск, 2005 г, 2006 г; 2010 г., 2012 г.;"Современные проблемы в технологии машиностроения", г. Новосибирск, 2009 г.
Методы исследований. Теоретические исследования основаны на использовании численных методов решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности (уравнение Фурье) и диффузии углерода в аустените (2-ой закон Фика). Моделирование напряженно-деформированного состояния материала осуществлялось с использованием сертифицированного программного продукта ANSYS 9.0.
Экспериментальные исследования проводились с использованием оптической металлографии (микроскопы NU 2Е, AxioObserver Aim, AxioObserver Zlm), растровой электронной микроскопии (микроскоп Carl Zeiss EVO50 XVP), просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп Tecnai G2 20 TWIN), энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (детектор рентгеновского излучения INCA Oxford Instruments), метода оценки микротвердости (приборы Wolpert Group 402MVD и ПМТ-3), определения остаточных напряжений 1-го рода по глубине материала (рентгеновский метод, методика И.А. Биргера).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 62 научные работы, в том числе 21 работа в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения, 23 работы в межвузовских сборниках научных трудов, 15 работ в виде трудов международных и Всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и приложений, изложенных на 399 страницах основного текста, в том числе 208 рисунков, 5 таблиц и списка литературы из 299 наименований.
