ТЕРМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ УПРОЧНЕНИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ

Ультразвуковое упрочнение (УЗУ) является новым методом поверхностного пластического деформирования (ППД) восстанавливаемых деталей машин. Сущность ультразвукового упрочнения состоит в том, что в отличие от обкатывания и виброобка-тывания сферический инструмент (или радиусная гладилка), колеблющийся принудительно с частотой ультразвука в направлении нормали к обрабатываемой поверхности металла, производит ударное воздействие на поверхность детали и подвергает ее пластической деформации. При этом в поверхностном слое образуется наклей, наводятся остаточные напряжения сжатия, уменьшается шероховатость поверхности, улучшаются физико-механические свойства поверхностного слоя деталей.

Введение УЗК в процессе поверхностного пластического деформирования металлов приводит к изменению дислокационной структуры, повышению пластичности металла, снижению усилий деформации и контактного трения между металлом и инструментом, отсутствию образования нароста на выглаживающем инструменте и т. д..

В связи с этим интересно исследовать процесс УЗУ как упрочняюще-отделочную обработку восстанавливаемых деталей, для которых,применение других известных способов ППД затруднено.

Однако известно, что в процессе ППД металлов работа пластической деформации и трения частично превращается в тепловую энергию, что приводит к соответствующему повышению температуры. Возможно, что введение энергии ультразвуковых колебаний может дополнительно повысить температуру в зоне контакта инструмента и детали.

Тепловой эффект определяется химсоставом материала деталей, скоростью, величиной деформации и другими факторами и оказывает существенное влияние на качество изделий и стойкость инструмента. При интенсивных режимах механической обработки в поверхностных слоях деталей могут возникать значительные температуры, которые приводят к изменению в поверхностном слое детали характера образования остаточных напряжений. Величина и знак остаточных напряжений оказывают значительное влияние на усталостную прочность и износостойкость деталей машин. Термический цикл при УЗУ изучен недостаточно, а имеющиеся результаты исследований противоречивы.

Учитывая вышеизложенное, нами было проведено исследование теплового поля деталей при обработке их рабочих поверхностей ультразвуковым инструментом.

Методика исследования включала в себя следующее. Образцы для исследования были изготовлены точением в виде колец с наружным диаметром Днар = 60 мм, внутренним Дв„ = 40 мм и шириной iB = 25 мм из стали 45.

Схема установки для экспериментального измерения температуры при УЗУ методом искусственной термопары представлена на рис. 1.

Величина термо-э.д.о, возникающей в термопаре 2 при повышении температуры в зоне контакта образца 1 и инструмента 11, через ртутное токосъемное устройство, состоящее из медных дисков 4 и 5, изолированных от вала 6 и ртутных ванночек 7 и 8, регистрировалась и записывалась на фотобумагу осциллографа Н-700 . Скорость записи 200 мм/сек. Как указано в работе , ртутные токосъемники обладают хорошими контактными свойствами.

Одновременно с отметчиком времени в схему осциллографа был включен дополнительный отметчик 10 (рис. 1), который фиксировал на фотобумаге момент прохождения спая термопары под инструментом. Глубина заделки спая термопары составляла 0,1 мм от наружной поверхности образца.

Оправка токосъемного устройства устанавливалась в центрах токарного станка 1А62. На ней монтировали притертые по торцам образцы-кольца. В торцах прорезали бороздки для заделки

хромель-копелевой термопары (тип ТХК, диаметр проволоки dnp = 0,2 мм и диаметр спая dcn =0,5 мм). Электроизоляция термопары осуществлялась слюдой и целлулоидным лаком. Сварка спая термопары и приварка его к кольцу-образцу производилась с помощью конденсаторной установки.

Тарировка осциллографа Н-700 проводилась двумя методами:

4) путем нагрева рабочей термопары в муфельной печи, температура которой замерялась контрольной термопарой, подключенной к милливольтметру;

2) компенсационным потенциометром КП-59.

По данным измерений строился тарировочпый график. Относительная погрешность измерений в опытах не превышала 5%. .

Для сравнительного экспериментального измерения температуры использовались два варианта процесса ультразвукового упрочнения:

а) обкатывание образца подвижным инструментом, вибрирующим с частотой УЗК (шаром 0 10 мм из закаленной стали ШХ15 НРС 60-62);

б) выглаживание неподвижным инструменшм, вибрирующим с частотой УЗК (полусферическим наконечником радиусом 5 мм из твердого сплава Т15К6).

Изменение температуры осуществлялось при поочередном варьировании параметров режима УЗУ: статического усилия Рст = 5-т-100 кгс, скорости вращения образца VH =0-ь50 м/мин и числа проходов инструмента i = l—5. Резонансная частота колебаний инструмента составляла f = 22,8 кгц, двойная амплитуда смещений инструмента поддерживалась на максимальном уровне в пределах 2А=40-ь50 мкм. Упрочнение производилось без продольной подачи инструмента методом единичной канавки. Результаты экспериментов показаны на рис. 2 (а и б). Максимальная температура точек поверхности образца при изменении статического усилия не превышала 200° С при упрочнении неподвижным инструментом (кривая 1) и 80°С — подвижным (кривая 2).

Дальнейшее увеличение статического усилия (более 100 кгс) исследовать не представлялось возможным в связи с тем, что нарушалась вибрация инструмента.

Как видно из рис. 26, скорость обработки влияет на температуру. При скорости, близкой к нулю, максимальная температура в зоне контакта инструмента с поверхностью образца достигает 330° С при упрочнении неподвижным инструментом, а в случае подвижного инструмента она не превышает 150° С.

Таким образом, процесс УЗУ не сопровождается значительным нагревом поверхности детали, способным повлиять на структурные превращения металла.

Выводы

1. Разработана методика и приспособление, позволяющие с достаточной точностью определять температуру в поверхностном слое при УЗУ деталей.

2. При исследованных вариантах УЗУ тепло, возникающее в зоне деформации, не может оказывать существенного влияния на механические свойства металла деталей