employee
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
employee
Murom, Vladimir, Russian Federation
employee
Murom, Vladimir, Russian Federation
employee
Murom, Vladimir, Russian Federation
Murom, Vladimir, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
Previously it was defined that geometrical dimensions of material worked have a significant impact upon the process of wave deformation strengthening, as at equal volumes of strengthened samples and processing modes there are observed different cards of micro-hardness in surface layers. In the paper there are shown investigations of the impact of dimensions of samples made of different material kinds (steel 45, titanium VT 1-0, bronze BRAZh 9-4, aluminum alloy B-95) upon wave deformation strengthening parameters). The investigations mentioned were carried out for the first time on a test desk specially developed. Strengthening effectiveness was estimated according to micro-hardness distribution in a surface layer. The analysis of the results obtained allowed defining that in chosen modes of WDS takes place strengthening not only a face surface but a back one of the sample at that in the core of the sample an initial hardness of material is kept. The investigations carried out allowed defining the fact that at the increase of material thickness from 10 to 20 mm resulted in the growth of degree (ΔHμ) and depth (hμ) of strengthening at WDS of samples of steel 45 - by 24 and 32%, samples of bronze BRAZh 9-4 – by 22 and 21%, samples of titanium VT 1-0 – by 24 and 32%, samples of aluminum alloy B-95 – by 40 and 62%. The samples length increase from 50 to 100 mm is accompanied by the decrease of ΔHμ and hμ at strengthening: steel 45 – by 36 and 70%, bronze BRAZh 9-4 – by 27 and 43%, titanium VT 1-0 – by 24 and 32%, aluminum alloy B-95 – by 40 and 62%.
shock pulse, material, wave deformation strengthening, head, waveguide, microhardness, strengthening depth
Введение
Методы поверхностного пластического деформирования подразделяются на статические и ударные. Ударные методы энергетически более выгодны, так как они обеспечивают прерывистое воздействие на упрочняемую поверхность ударными импульсами [1].
Эффективность ударного воздействия (упрочнения) характеризуется долей передаваемой энергии ударного импульса в очаг деформации, которая зависит не только от соотношения длин и площадей контактных сечений волновода и бойка, физико-механических свойств среды нагружения, но и от геометрических размеров обрабатываемого изделия [2-4]. Это связано с тем, что энергия ударного импульса преобразуется на всех границах с изменяемой акустической жесткостью, которые, в том числе, являются конечными размерами упрочняемого изделия.
Впервые факт влияния размеров обрабатываемого изделия на параметры упрочнения установлен при обработке призматических образцов волновым деформационным упрочнением (ВДУ) [5-6]. Суть способа заключается в сочетании статических и ударных воздействий на обрабатываемый материал ударными импульсами пролонгированного действия, которые генерируются ударной системой (боёк – волновод) [1]. Ранее выполненными исследованиями процесса ВДУ установлено, что при одинаковых объемах упрочняемых образцов и режимах обработки могут быть получены разные эпюры распределения микротвердости в поверхностном слое. Установлено, что различия в упрочнении объясняются разными геометрическими размерами образцов [5-6]. Однако данные исследования проводились только на стали 45.
Целью работы является проведение исследований влияния на параметры упрочнения волной деформации габаритных размеров образцов, изготовленных из материалов разных марок.
Материалы, методы и результаты
Для проведения исследований влияния материалов и размеров изделий на параметры упрочнения волной деформации использовались образцы длиной 50 и 100 мм, толщиной 10 и 20 мм и шириной 20 мм. В качестве материалов образцов использовались: сталь 45, титан ВТ 1-0, бронза БРАЖ 9-4, сплав алюминия Б-95. Выбор материалов обоснован широтой их применения при изготовлении изделий в машиностроении.
Упрочнение образцов проводилось на специально разработанном стенде для исследования процессов волнового деформационного упрочнения (рис.1) [7].
Рис. 1. Схема экспериментального стенда, где: 1 - боёк, 2 - волновод,
3 - корпус, 4 - трубчатые направляющие, 5 - обрабатываемая поверхность,
6 - прихваты, 7 - стол, 8 - плита, 9 - поперечная направляющая,
10 - портальная рама, 11 - гидроцилиндры, 12 - упор,
13 - индикатор, 14 - ходовой винт, 15 - направляющие,
16 – инструмент [7]
Упрочнение проводилось при энергии удара 70 Дж, с коэффициентом, обеспечивающим равномерность перекрытия отпечатков ударов инструмента равным 0,4. В качестве инструмента для ВДУ применялся стержневой ролик диаметром 25 мм и шириной 30 мм [8]. В ударной системе использовался боек длиной 450 мм и диаметром 45 мм, обеспечивающим соотношение длин бойка и волновода 3:1. Эффективность упрочнения оценивалась по карте микротвердости поверхностного слоя. Для её построения образец разрезался поперек упрочненной области, затем в сечении измерялась микротвердость на автоматическом твердомере KB 30S.
Материалы, методы и результаты
Ранее установлено, что при ВДУ упрочняется не только контактная (лицевая) сторона обрабатываемого образца, но и на его противоположная тыльная часть, при этом сердцевина образца остается неупрочненной. Вследствие этого, карта микротвердости строилась для всего сечения упрочненного образца.
Результаты исследований влияния материала и размеров изделий на параметры упрочнения (степень ΔHμ и глубину hμ упрочнения) волной деформации представлены на рисунках 2-5.
а) б)
в) г)
Рис. 2. Зависимость степени (%) - (а, в) и глубины (мм) - (б, г)
упрочнения от длины (L) и толщины образца (t) из стали 45 при ВДУ,
где: а), б) - лицевая; в), г) - тыльная стороны образца
а) б)
в) г)
Рис. 3. Зависимость степени (%) - (а, в) и глубины (мм) - (б, г)
упрочнения от длины (L) и толщины образца (t) из бронзы БРАЖ 9-4
при ВДУ, где: а), б) - лицевая; в), г) - тыльная стороны образца
а) б)
в) г)
Рис.4 Зависимость степени (%) - (а, в) и глубины (мм) - (б, г)
упрочнения от длины (L) и толщины образца (t)
из титана ВТ-1-0 при ВДУ, где: а), б) - лицевая; в), г) - тыльная стороны образца
а) б)
в) г)
Рис. 5. Зависимость степени (%) - (а, в) и глубины (мм) - (б, г)
упрочнения от длины (L) и толщины образца (t) из сплава алюминия Б-95
при ВДУ, где: а), б) - лицевая; в), г) - тыльная стороны образца
Из рисунков видно, что результаты ВДУ зависят от размеров обрабатываемых образцов. Увеличение длины образцов с 50 до 100 мм сопровождается снижением степени (ΔHμ) и глубины (hμ) упрочнения:
- для образцов из стали 45 толщиной (t) 10 мм (рис. 2) степень упрочнения поверхностного слоя лицевой стороны снижается на 38%, а глубина упрочнения - на 66%, при t=20 мм на 35 и 73%, соответственно. Степень упрочнения тыльной стороны образца также снизилась для t=10 мм на 47%, а глубина упрочненного слоя - на 87%, для t=20 мм соответственно ΔHμ на 10%, hμ на 80%.
- для образцов из бронзы БРАЖ 9-4 толщиной (t) 10 мм (рис.3) степень упрочнения поверхностного слоя лицевой стороны снижается на 47%, а глубина упрочненного слоя - на 87%, для t=20 мм на 10 и 80%, соответственно. Степень упрочнения тыльной стороны образца также снизилась для t=10 мм на 73%, а глубина упрочненного слоя - на 70%, для t=20 мм соответственно ΔHμ на 59%, hμ на 68%.
- для образцов из титана ВТ 1-0 толщиной (t) 10 мм (рис. 4) степень упрочнения поверхностного слоя лицевой стороны снижается на 14%, а глубина упрочнения - на 30%, при t=20 мм на 31 и 33%, соответственно. Степень упрочнения тыльной стороны образца также снизилась для t=10 мм на 25%, а глубина упрочненного слоя - 43на %, для t=20 мм соответственно ΔHμ на 64%, hμ на 50%.
- для образцов из сплава алюминия Б-95 толщиной (t) 10 мм (рис. 5) степень упрочнения поверхностного слоя лицевой стороны снижается на 55%, а глубина упрочнения - на 50%, при t=20 мм на 28 и 68%, соответственно. Степень упрочнения тыльной стороны образца также снизилась для t=10 мм на 52%, а глубина упрочненного слоя - 30 на %, для t=20 мм соответственно ΔHμ на 22%, hμ на 43%.
Выводы
1. Подтвержден факт упрочнения при ВДУ не только с лицевой, но и с тыльной стороны образца, при этом сердцевина образца сохраняет исходную твердость материала.
2. Установлено, что увеличение длины обрабатываемого ВДУ образца сопровождается снижением степени и глубины упрочнения как лицевой, так тыльной стороны, причем степень снижения этих показателей зависит от марки обрабатываемого материала.
3. Установлено, что увеличение толщины обрабатываемого ВДУ образца сопровождается ростом степени и глубины упрочнения как лицевой, так тыльной стороны, причем степень возрастания этих показателей зависит от марки обрабатываемого материала.
4. Наибольшая чувствительность параметров упрочнения поверхностного слоя характерна для образцов из стали 45 и сплава алюминия Б-95, наименьшая – для бронзы БРАЖ 9-4 и титанового сплава ВТ 1-0.
Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 19-08-00676
1. Kirichek, A. V. Tehnologiya i oborudovanie statiko-impul'snoy obrabotki poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem / A.V. Kirichek, D.L. Solov'ev, A.G. Lazutkin. - M.: Mashinostroenie, 2004. - 288 s.
2. Eremyants, V. E. About selection of parameters of hydraulic vibro-impact machines for surface cleaning / V.E. Eremyants, V.V. Nju // Journal of Advanced Research in Technical Science. - 2016. - P. 20-24.
3. Aleksandrov, E. V. Prikladnaya teoriya i raschety udarnyh sistem / E.V. Aleksandrov, V.B. Sokolinskiy. - M.: Nauka, 1969. - 201 s.
4. Raschet udarnyh sistem s netorcevym soudareniem elementov / O.D. Alimov, V.K. Manzhosov, V.E. Erem'yanc, L.M. Martynenko. - Frunze : Ilim, 1979. - 109 s.
5. The investigation of the deformation wave hardening effect on the strength of the medium and low alloy steels / A.V. Kirichek, S.V.Barinov, A.V. Yashin, S.E. Kolontsov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering - 2017.-№ 177.-012121. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/177/1/012121.
6. Kirichek, A. V. The peculiarities of the influence of the finite sizes of a detail on the distribution of the surface layer micro-hardness in case it is hardened by a deformation wave / A.V. Kirichek, S.V. Barinov, A.V. Yashin // Journal of Nano and Electronic Physics.-2015-№4(7).-04019. DOI 2077-6772/2015/7(4)04019(4).
7. Eksperimental'nyy stend dlya issledovaniya processov volnovogo deformacionnogo uprochneniya / A.V. Kirichek, S.V. Barinov, S.A. Silant'ev [i dr.] // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta.-2019.-№ 12. - S. 50-57. DOI:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2019-2019-12-50-57.
8. Barinov, S. V. Povyshenie dolgovechnosti detaley mashin sozdaniem geterogennoy struktury deformacionnym uprochneniem : [materialy Vserossiyskoy mezhvuzovskoy nauchnoy konferencii «VI Vserossiyskie nauchnye Zvorykinskie chteniya», Murom, 14 fevralya 2014 g.] / S.V. Barinov. - Tekst : elektronnyy - URL: http://www.mivlgu.ru/conf/zvorykin2014/pdf/Section_13.pdf . - Data publikacii: 21 aprelya 2014.
