Способ упрочнения деталей

Способ упрочнения деталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и оценке циклической прочности деталей машин, подвергаемых упрочнению поверхностным пластическим деформированием и работающим в условиях переменных нагрузок. Цель изобретения - повышение эффективности упрочнения за счет получения максимального предела усталости . Для серии деталей предварительно определяют истинное сопротивление разрыву и исходный предел усталости неупрочненного материала детали, затем обрабатывают их поверхностным пластическим деформированием с разной степенью деформации и определяют для каждой серии глубину пластически деформированного слоя. Затем для определения оптимальных режимов упрочнения находят интенсивность деформации поверхностного слоя каждой серии деталей, строят диаграмму истинных напряжений материала и определяют по полученной интенсивности деформаций интенсивность напряжений. Кроме того, дополнительно осуществляют упрочнение двух серий образцов на разных режимах и определяют для них глубину пластически деформированного слоя и интенсивности деформаций на свободной поверхности. После этого испытывают образцы каждой серии на выносливость, определяя пределы усталости, и вычисляют безразмерные коэффициенты по математическим выражениям. Для оценки оптимальности режимов упрочнения рассчитываются для каждого режима предел усталости по полученному математическому выражению. 1 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<Я)5 В 24 В 39 /00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (лЭ

1 М

lM

lÎ > (21) 4402678/27 (22) 01.04.88 (46) 15,05.92. Бюл, N. 18 (75) М;С, Дрозд и Я,А. Полонский (53) 621.923.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N . 1400862, кл, В 24 B 39/00, 1985. (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и оценке циклической прочности деталей машин, подвергаемых упрочнению поверхностным пластическим деформированием и работающим в условиях переменных нагрузок. Цель изобретения повышение эффективности упрочнения за счет получения максимального предела усталости. Для серии деталей предварительно определяют истинное сопротивление разрыву и исходный предел усталости неупрочненного материала детали. затем обрабатывают их поверхностным пластическим деформированием с разной степенью

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и оценке циклической прочности деталей машин, подвергаемых упрочнению поверхностным пластическим деформированием и работающих в условиях переменных нагрузок.

Известные в настоящее время способы позволяют осуществлять упрочнение деталей машин с прогнозированием результатов этого упрочнения. При этом используются результаты испытаний на выносливость образцов из данного материала.

„,533» 1733220 А1 деформации и определяют для каждой серии глубину пластически деформированного слоя. Затем для определения оптимальных режимов упрочнения находят интенсивность деформации поверхностного слоя каждой серии деталей, строят диаграмму истинных напряжений материала и определяют по полученной интенсивности деформаций интенсивность напряжений.

Кроме того, дополнительно осуществляют упрочнение двух серий образцов на разных режимах и определяют для-них глубину пластически деформированного слоя и интенсивности деформаций на свободной поверхности. После этого испытывают образцы каждой серии на выносливость; определяя пределы усталости, и вычисляют безразмерные коэффициенты по математическим выражениям. Для оценки оптимальности режимов упрочнения рассчитываются для каждого режима предел усталости по полученному математическому выражению.

1 табл, Наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности способ упрочнения не позволяет заранее оценить величину предела усталости детали, подвергнутой поверхностному пластическому деформированию как при оптимальных, так и при всех возможных промежуточных режимах. Кроме того. недостатком этого способа является то. что он оперирует не непосредственно с интенсивностью деформации поверхностного слоя детали Р ь0. а с многочисленными определяющими ее первичными факторами: P или hs/R, Од, Од.r: между-тем, только

Ро и глубина пластически деформированно1733220

10 го слоя hs/R определяют эффективность упрочнения детали поверхностным пластическим деформированием, и поэтому именно они должны одновременно и непосредственно учитываться при прогнозировании ее предела усталости.

Цель изобретения — повышение эффективности упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием за счет увеличения и более полного использования резерва или контролируемого регулирования их усталостной прочности, что достигается благодаря возможности прогнозирования значения предела усталости детали, подлежащей поверхностному упрочнению, и целесообразного управления этой величиной.

Поставленная цель достигается тем, что известными способами определяют глубину

hs/R пластически деформированного слоя и интенсивность деформации г ь на его саободной поверхности. отвечающие заданному режиму упрочнения детали. предел усталости о-1.у которой в упрочненном состоянии требуется прогнозировать, путем стандартных испытаний на выносливость и на растяжение образцов, изготовленных из . неупрочненного материала детали, определяют исходный предел усталости гт -1 и истинное сопротивление разрыву $к и строят диаграмму истинных напряжений (диаграмму деформирования) 01 (F ) по которой определяют интенсивность напряжений о;,0, отвечающую найденной ранее интенсивности деформации г",0 а прогнозируемый предел усталости детали, подвергнутой упрочнению го заданному режиму, определяют по формуле

Π— 1,y — (1+ K1hs R+ K2Г i.,о )"

1 — Г,ГК ь 2

OO" 00(, +(1 — Ь) -3)

ЗЗК (1 — h R R — ) () где 0-1- исходный предел усталости материала детали;

hs/R и г. ; 0 — ожидаемые глубина пластически деформированного слоя и интенсивность деформации на его свободной поверхности, отвечающие данному режиму упрочнения детали; е,0 и Як — интенсивность напряжений. отвечающая интенсивности деформации, и истинное сопротивление разрыву для материала детали;

R — радиус поперечного сечения детали;

К1 и Kz — безразмерные эмпирические коэффициенты.

Способ применим во всех случаях, когда интенсивность деформации F. i< на поверхности упрочненной детали не превышает предельной равномерной деформации е> при растяжении, то есть в той области деформации f lo < F, p, катОРая является допустимой. при упрочнении деталей поверхностным пластическим деформированием, Сущность предлагаемого способа состоит в следующем, Как известно. в деталях, подвергнутых поверхностному упрочнению, первичный очаг усталостного разрушения зарождается на внутренней границе пластически деформированного слоя, отстоящей от свободной поверхности детали (образца). В процессе дальнейшего нагружения трещина, являясь острым концентратором. распространяется (теперь уже независимо от прочности поверхностного слоя) к наружной поверхности и вглубь детали и в конце концов приводит к ее полному разрушению. Это значит, что предел усталости упрочненной детали определяется пределом усталости о 1,С материала. находящегося около указанной внутренней границы слоя. В свою очередь, величина о-1,„- определяется как исходным пределом усталости о-1, так и влиянием упрочненного слоя, а именно его глубиной

Ь /R и интенсивностью деформации г.,, чем больше hs/R u Fi,p, тем выше сопротивление подслойного материала зарождению и росту усталостной трещины, т,е. тем больше 0 -1,C . Так как при отсутствии упрочненного слоя о -1С = o -1, то, приняв в первом приближении о-1,у = 0- 1(1 + K1hs/R+ К2 F;, p), (2) предел усталости упрочненной детали вычисляют по формуле (1).

Существенное отличие предлагаемого способа от известных состоит в том, что, включая предусмотренные ими стандартные испытания образцов на растяжение и выносливость с определением соответственно истинного сопротивления разрыву SK и исходного предела усталости неупрочненных образцов, изготовленных из материала детали, предел усталости которой в упрочненном состоянии требуется прогнозировать. и определение ожидаеглой глубины

hs/R наклепанного слоя, который должен образоваться у поверхности той же детали, если ее подвергнуть поверхностному пластическому деформированию по заданному режиму, он, крометого, требует выполнения следующих операций; изготовление двух вспомогательных серий образцов, их поверхностного пластического деформирования, 1733220 которое осуществляется по различным режимам (с разными рабочими нагрузками и разными диаметрами обрабатывающего инструмента): определение для образцов каждой серии глубины пластически деформированного слоя и интенсивности деформации на его свободной поверхности, испытания образцов каждой серии на выносливость и определение по результатам этих испытаний значений эмпирических коэффициентов К1 и Кг, применяемых в дальнейшем при прогнозировании по формуле (1) предела усталости детали, которую предполагается подвергнуть пластическому упрочнению по заданному режиму, и изготовленной иэ любого материала того класса (стали, цветные сплавы), к которому относится материал вспомогательных образцов (для случая обкатки стальных деталей К = 1 и К = 2); определение известным способом ожидаемой интенсивности деформации е i p, которая будет получена в результате упрочнения (по заданному режиму) детали с прогнозируемым пределом усталости o 1,у стандаРтные исгытаниЯ на РастЯжение образца, изготовленного из неупрочненного материала детали, с построением диаграммы истинных напряжений о (д) и определение по ней интенсивности напряжений о,0 отвечающей найденному ранее значению я,о.

Благодаря указанным дополнительным действиям предлагаемый способ позволяет прогнозировать предел усталости деталей, различных по абсолютным размерам, изготовленных из разных материалов данного класса, например иэ сталей, и упрочняемых по различным режимам, пользуясь результатами испытаний лишь двух вспомогательных серий образцов одного диаметра: кроме того, предлагаемый способ учитывает большее, чем известные, число факторов, влияющих на уровень прогнозируемого предела усталости детали (такими дополнительными факторами являются интенсивность деформации я;,, на упрочненной поверхности и отвечающая их интенсивность напряжения 0 О).

Все это делает предлагаемый способ более надежным, экономичным и удобным, чем известные.

Способ осуществляется следующим образом.

Известным способом определяют ожидаемые глубину наклепанного слоя hs/R u интенсивность деформации F., на его GBQ бодной поверхности, отвечающие упрочнению по заданному режиму детали, предел

Усталости (J-1,у котоРой в УпРочненном соролик с заданным диаметром О> и профиль10 ным радиусом r или шарик диаметром D при этом ролик или шарик должен занимать

45 стоянии требуется прогнозировать. Один из таких способов состоит в том, что иэ неупрочненного материала детали изготавливают цилиндрический брусок с диаметром, равным диаметру детали Од = 2R; по нормали к цилиндрической поверхности бруска заданной рабочей нагрузкой вдавливают такое же положение относительно продольной оси бруска, какое он будет занимать в процессе обкатки относительно продольной оси детали); затем по распределению твердости под остаточным отпечатком, образовавшимся на поверхности бруска, определяют глубину слоя hs/R, а интенсивность деформации е i, О находят из соотношения а а — — 1,41а — а — — а Ь или а „о:О+Од

Э, . DÄ

2 /. Ош +Оь

Га О Dg, где а и Ь вЂ” полуоси остаточной вмятины, которая образуется на поверхности упрочняемой детали при однократном внедрении в нее ролика или шарика статистической силой, равной рабочей нагрузке Р, Далее путем стандартных испытаний на выносливость и растяжение образцов, изготовленных из неупрочненного материала детали, определяют ее исходный предел усталости о-1 и истинное сопротивление разрыву Як, а также строят диаграмму истинных напряжений oj (я; ) по которой определяют интенсивность напряжений

0 о, отвечающую найденной ранее интенсивности деформации 8 i,p а прогнозируемый предел усталости детали, подвергнутой упрочнению по заданному режиму, определяют по формуле

У вЂ” 1

0 — 1,у (1 + К1 hs/R + Кг Е i, 0 ) <

1 — hs R

„,г а (+(— — ) — з)

Пример. Путем стандартных испытаний на растяжение образцов из сталей марок 45 и 40Х определили истинное сопротивление разрыву Sy, и построили диаграммы истинных напряжений oj (а, ). Из тех же сталей изготовили 12 и 10 соответственно серий образцов для испытаний на усталость, Образцы одной серии из каждого материала подвергли усталостным испытаниям в неупрочненном состоянии и опреде1733220 лили для них значения исходного предела усталости о-1. Образцы остальных серий подвергли обкатке шариками (сталь 45) или роликами (сталь 40Х) при разных для каждой серии значениях рабочей нагрузки Р, диаметра шарика D< или профильного радиуса ролика r и последующему испытанию на выносливость с определением пределов усталости сТ 1,у образцов, упрочненных по разным режимам. Кроме того, на одном из упрочненных образцов каждой серии известными способами определили глубину наклепанного слоя hs/R и интенсивность деформации я ),о.

Затем по приведенной выше формуле (1) нашли Расчетные значениЯ о-1,у ДлЯ образцов каждой серии и сопоставили их с величинами, полученными экспериментальным путем. Аналогичным образом были сопоставлены с расчетом по формуле (1) и экспериментальные данные, опубликованные в литературе другими авторами. Результаты такого сопоставления приведены в таблице, из которой видно, что значения пределов усталости образцов, подвергнутых поверхностному пластическому деформированию, найденные путем стандартных испытаний на усталость, лишь в трех случаях из тридцати отличаются от определяемых по предлагаемому способу на 7 — 9%, а в остальных случаях эта разница меньше и в основном не превышает5 .

Этим подтверждается, что предлагаемый способ позволяет с точностью, по крайней мере, до 10/ (находящийся в пределах неизбежного рассеивания результатов усталостных испытаний) прогнозировать пределы усталости деталей различного диаметра (от 5 до 180 мм), изготовленных из различных материалов (сталей) и подвергнутых поверхностному пластическому деформированию, Одновременно данные, содержащиеся в таблице, указывают на то, что используемые в предлагаемом способе безразмерные коэффициенты упрочнения, определяемые по результатам испытания на усталость стандартных образцов диаметром 10 мм из одной марки стали (в данном случае из стали

45), сохраняют свои значения для других углеродистых и легированных сталей (марок

40,40Х,34HÇM,50С2Г), а также для армкожелеза в широком интервале диаметров детали (от 5 до 180 мм), Формула изобретения

Способ упрочнения деталей, при котором предварительно определяют истинное сопротивление разрыву и исходный предел усталости неупрочнен ного материала. детали, затем обрабатывают поверхностным пластическим деформированием серии де5 талей с разной степенью деформации и определяют для каждой серии глубину пластически деформированного слоя, а по результатам испытаний определяют оптимальные режимы обработки с последующим

10 упрочнением,отличающийся тем,что, с целью повышения эффективности упрочнения за счет получения максимального предела усталости, перед определением режимов упрочнения находят интенсивность

15 деформации поверхностного слоя каждой серии деталей, строят диаграмму истинных напряжений их материала и определяют интенсивность напряжений, соответствующую полученной интенсивности

20 деформации, дополнительно осуществляют упрочнение двух серий образцов на разных режимах, определяют для образцов каждой серии глубину пластически деформирован.ного слоя h s/R и h"s/R и интенсивности

25 деформации на их свободной поверхности я ) и е"),о, испытывают образцы каждой серии на выносливость, определяя пределы

Усталости 0 -1,у и о "-1,y, и вычислЯют безразмерные коэффициенты из выражений

30 о ñ,y — o — 1 — Кгo — 1 а,о

К1

1 о 1, S/R

Π— 1, — 1

o=1,y hs hs

° +

Π— 1 1 hs hs

35 К2

4, — d p hs"/hs после чего рассчитывают предел усталости по формуле

40 o — 1y — (1+к1),/в+к2е),p )

1 — hs R

„,г

ЗБ 1 — h7ð Ð) )

45 где о -1 — исходный предел усталости материала детали, МПа;

hs ия;,о — глубина пластически деформированного слоя и интенсивность дефор50 мации на его свободной поверхности, соответствующие заданному режиму упрочнения;

0 i,o — интенсивность напряжений, соответствующая интенсивности деформаций, 55 МПа;

Як — истинное сопротивление разрыву материала детали, МПа, 9 1733220 10

Сопоставление расчетных (6„, расч.) и экспериментальных (G,>) значений предела усталости образцов, йодвергнутых поверхностному пластическому деформированию

1 и /R Я;

--«- --- — -- ---е6 4y (-4,9 Рвач

"--г-----" --""-"---"

Опыт (расчет -<, оьитн

Н аль 45: 3„ l190 МПа: (1 = 500 МПа; Ep = О,1

230 0,12 0,1 850 280 355 377 1,06

340 0,14 380 383 1,01

490 0,17 390 386 0,99

240 . 0,09 0,1 850 270 330 353 1,07

550 0,13 357 365 1,02

720 . 0,15 370 367 0,99

1650 0,23 365 375 1,03

265 0,07 0,1 850 260 310 336 1,08

590 0,11 320 349 1,09

1060 0,1.5 365 356 0,98

1820 0,19 355 361 . 1,02

Сталь 40X: G = 883 МПа: Б к = 1538 МПа: Ер = 0,065

6,0 1400 0,15 0,03 1023 436

5,0 0,04 1050 .3,5 0,06 1,90

1,12 450 0,09 0,065 1090 436

725 0,11

2 20 880 0 12

3,5 1400 0,15

4,0 1620 0,16

7,5 3000 0,22

Армко-железо:(э = 265 МПа: S„ = 833 МПа: Я = 0,19

5,0 - 0,057 0,06 441 186 235 223

5,0 - 0,114 0,15 502 255 240

Сталь 40: = 274 МПа: S = 931 МПа: Яр= 0,15

2,5 8820 0,03 0,16 6664 196 269,5 272 1,01

Сталь 45: (3 382 МПа: Sк = 1050 МПа: E = 0,12

3,0 392 0,2 0,065 676 304 407 410

6,0 1470 284 363 383

18,0 1412 225 294 304

Сталь 34ХНЗМ (нормализация): G> 549 Мла: S 1230 Mfla: Я 0,09

5,0 980 0,16 0,05 832 358 436 459

3,0 1470 0,10 0,07 853 348 446 440

Сталь 34ХН3М (закалка и отпуск); G. 842 МПа: S„ 1548 МПа: 0

5,0 980 0,12 0,04 1000 426 534 524 .

Сталь 50C2I (закалка и отпуск): 8 1080 МПа S „ 1890 МПа; р О

5,0 1568 0,154 0,04 l298 477 . 612,5 601

Ст

7,5

3,l5

4,0

5,0

4,15

5,0

5,95

10,0

3,15

5,0

7,15

10,0

12,5

544 541

544 545

555 . 558

544 539

544 548

555 554

587 565

587 567

555 554

10 25

0,99

1,00

1,01

0,99

1,01

1,0

О 96

0,97

1,0

10 25

10 14

0,95

0,94

180 70

5,0 10

10,0 20

30,0 60

1,00

1,06

1,03

1,05

0,99 ,07

0,98 ,05

0,98

10 20

10 50

Составитель M.Ñ.Äðîçä

Техред М.Мо ргентал Корректор М.Пожо

Редактор А. Маковская

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1627 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5