Управление микро- и наноструктурированием поверхностных слоев деталей при абразивной обработке

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Машиностроение

Технология, инструменты и оборудование машиностроительных производств

Управление микро- и наноструктурированием поверхностных слоев деталей при абразивной обработке

С.Г. Бишутин

Анотация

Представлены результаты исследований механизма накопления деформации обрабатываемого материала. Оценены возможности управления при абразивной обработке формированием тонких поверхностных структур

Ключевые слова: абразивная обработка; пластическая деформация; микроструктурирование и наноструктурирование; поверхностный слой

В конструкционных материалах при финишной абразивной обработке вследствие температурного и силового воздействий формируется измененный поверхностный слой, во многом определяющий эксплуатационные показатели деталей [1]. Структурное состояние и параметры качества поверхностного слоя зависят от обрабатываемого материала, режимов и условий абразивной обработки.

Влияние температурного фактора при абразивной обработке стараются свести к минимуму или, по крайней мере, ограничить из-за возможности появления дефектов в виде прожогов на обрабатываемой поверхности [2, 3]. В этих условиях тонкие поверхностные структуры (твердотельные наноструктуры) формируются преимущественно вследствие пластической деформации поликристаллического материала. Наряду с величиной зерна на деформационное упрочнение поликристаллов большое влияние оказывают количество и размер внутренних зеренных блоков, образующихся в результате множественного скольжения зерен при пластической деформации [4, 5]. Блоки представляют собой части зерна с небольшой концентрацией дислокаций, окруженные разнонаправленными полосами скольжения (полоса скольжения - область материала с повышенной плотностью дислокаций). Размеры этих блоков и плотность дислокаций определяются степенью деформации поверхностного слоя. Поверхностные слои, глубина залегания которых не более 1…2 мкм, характеризуются сильно деформированной фрагментированной структурой с максимальной плотностью дислокаций. Следует отметить, что в ряде случаев высокие температуры в зоне резания приводят к значительному снижению плотности дислокаций в приповерхностных слоях. Глубинные поверхностные слои подвергаются незначительной пластической деформации, поэтому в них наблюдаются небольшие, беспорядочно расположенные полосы скольжения и малые дислокационные петли.

Наряду с дроблением зерна на блоки происходит разориентация блоков по их границам, что препятствует движению дислокаций. Препятствиями для движения дислокаций являются границы зерен и блоков, дисперсные выделения упрочняющих фаз, примесные атомы, дислокации исходной структуры и др.

Таким образом, формирование микро- и наноструктур поверхностных слоев в значительной степени зависит от исходного состояния обрабатываемого материала и может регулироваться степенью деформации, а в отдельных случаях и температурой. Проанализируем механизм накопления деформации поверхностным слоем с целью выявления возможностей управления при абразивной обработке формированием тонких поверхностных структур для повышения эксплуатационных показателей деталей машин (возможность управления эксплуатационными показателями деталей машин путем формирования тонких поверхностных структур с требуемыми характеристиками была показана ранее [6]).

Наиболее часто полагают, что вершина абразивного зерна имеет сферическую форму. Движение такой вершины относительно обрабатываемого материала вызывает его возвышения (навалы) впереди индентора и по краям шлифовочной царапины [7]. Дальнейшее внедрение вершины зерна в обрабатываемый материал может привести к образованию стружки при выполнении следующего условия [8]:

, (1)

где a_z - глубина внедрения вершины зерна в обрабатываемый материал;

a_zк - глубина внедрения вершины зерна в обрабатываемый материал, при которой начинается образование стружки;

с - радиус cкругления вершины зерна;

m_к - критерий перехода от пластической деформации к стружкообразованию.

Проанализируем особенности взаимодействия зерна с металлом в сечении, параллельном вектору скорости V и проходящем через ось симметрии вершины (рис. 1).

Рис. 1. Сетка линий скольжения и траектории перемещений частиц металла при взаимодействии с вершиной зерна

Очевидно, что в этом сечении металл испытывает плоскую деформацию. Поэтому глубину залегания пластических деформаций в поверхностном слое можно определить с помощью метода линий скольжения. Начнем построение сетки линий скольжения со свободной поверхности справа от вершины зерна. Некоторый её участок АВ - пластический, так как наблюдается возвышение металла над поверхностью. Поскольку касательные напряжения на свободной поверхности АВ равны нулю, то б- и в - линии скольжения пересекают эту поверхность под углами 45° и 135°. Каждая из б-линий далее меняет свое направление, подходя к поверхности вершины зерна под углом

и* =,

где б_н - угол между касательной к поверхности вершины зерна в рассматриваемой точке и направлением 0X; б_т - угол, учитывающий трение в контакте вершины зерна с металлом (при отсутствии трения б_т = 0, при налипании металла на вершину зерна б_т = р /4). В связи с этим из точки А выходит пучок характеристик одного семейства. Линия АD принадлежит поверхности сдвига. Металл, расположенный выше поверхности сдвига, в дальнейшем отделяется в виде стружки. Учитывая это обстоятельство, а также взаимную перпендикулярность б- и в-линий, можно построить интересующую нас сетку линий скольжения (рис. 1). Очевидно, что по сетке линий скольжения можно судить о размерах очага деформации. В таком случае будут справедливыми следующие соотношения [7]:

(2)

; (3)

(4)

где L_В - длина проекции дуги контакта вершины зерна с металлом на ось ОХ;

L₃ - максимальная протяженность очага деформации в направлении оси ОХ;

h_Н - глубина наклепа поверхностного слоя;

К_а - коэффициент усадки стружки;

k_т - коэффициент, учитывающий трение в контакте вершины зерна с металлом.

Степень деформации каждого элементарного объема поверхностного слоя характеризуется накопленной интенсивностью деформации сдвига [4]:

наноструктура поверхностный конструкционный абразивный

, (5)

где t - время прохождения элементарного объема через очаг деформации;

H - интенсивность скоростей деформации сдвига [4]

, (6)

где,,- скорости относительных линейных деформаций элементарного объема;

,,- скорости относительных угловых деформаций элементарного объема.

В условиях плоской деформации ,, и [9]. В таком случае уравнение (6) можно записать следующим образом:

(7)

Величину можно выразить через , воспользовавшись условием пропорциональности напряжений и скоростей деформации [9]:

,

откуда (8)

Скорость деформации элементарного объема можно определить, зная траектории ш(x,y) перемещений частиц металла при взаимодействии с вершиной зерна:

(9)

где - значение функции в точке с координатами x = x_i и y = y_i;

?x, ?y - приращения координат x и y;

dt - промежуток времени, в течение которого происходят приращения ?x и ?y.

Вид функции можно установить на основе анализа формы кривых АВ, АD и CD очага деформации (рис. 1):

(10)

где n, s, k, m - некоторые константы;

L_3i - протяженность очага деформации вдоль оси ОХ при заданном значении у;

h_В - высота металлических навалов вокруг шлифовочных царапин.

В случае, когда большинство вершин зерен, контактирующих с металлом, не образуют срезов (при выхаживании, тонких режимах шлифования, затуплении вершин зерен), т.е. при а_z< а_zк, функция будет выглядеть следующим образом:

(11)

Константы в уравнениях (10) и (11) можно определить, задавшись законом изменения деформации по глубине поверхностного слоя. Если принять гипотезу о линейном распределении деформации в направлении оси ОУ после единичного контакта [9], то можно получить: n ? 2,0; s = 1,5; k = 2,0; m = 1,0.

Таким образом, используя уравнения (1-11), можно рассчитать величину накопленной интенсивности деформации сдвига Г_i рассматриваемого элементарного объема поверхностного слоя в процессе контактирования вершины зерна с металлом. Однако в процессе шлифования каждый участок обрабатываемой поверхности заготовки многократно контактирует с абразивным инструментом, что вызывает дополнительную деформацию поверхностного слоя. В связи с этим общую накопленную интенсивность деформации сдвига Г_oi рассматриваемого элементарного объема поверхностного слоя в процессе шлифования следует рассчитывать по формуле

,

где Г_н - начальная накопленная интенсивность деформации сдвига;

Г_i - накопленная интенсивность деформации сдвига, получаемая элементарным объемом поверхностного слоя при i-м контакте с вершиной абразивного зерна;

Г_р - накопленная металлом к моменту разрушения (образования трещины) степень деформации сдвига [10];

N - число воздействий вершин зерен на рассматриваемый элементарный объем поверхностного слоя,

Здесь k_В - число воздействий вершин зерен на рассматриваемый элементарный объем поверхностного слоя за время контакта с абразивным инструментом;

q_c - среднее значение толщины слоя металла, снимаемого абразивным инструментом с рассматриваемого участка поверхности заготовки за N контактов.

Для оценки степени деформации материала шлифованных деталей необходимо знать распределение величин Г_оi по глубине у поверхностного слоя. Принцип выявления функции Г_оi (у) можно понять из рис. 2.

При первом контакте абразивного инструмента с рассматриваемым участком поверхности заготовки с последнего снимается слой толщиной q_c1. В результате этого формируется поверхностный слой с глубиной наклепа h_н1 и максимальным значением Г₁ накопленной степени деформации сдвига. В результате снятия слоя металла q_c2 при втором взаимодействии с абразивным инструментом глубина проникновения пластической деформации составляет h_н2, а к оставшейся от первого контакта накопленной степени деформации сдвига Г₁^/ прибавляется еще некоторое значение Г₂. Аналогичным образом формируется эпюра Г_оi (у) в ходе третьего контакта с абразивным инструментом, однако если величина Г₃ + Г₂^/ > Г_р, то на эпюре Г_оi (у) появляется участок с постоянным значением Г_оi = Г_р.

Рис. 2. Формирование эпюры Г_оi(у) поверхностного слоя в процессе трехкратного взаимодействия с абразивным инструментом при Г_н = 0: 1 - исходная поверхность заготовки; 2 - поверхность детали

Величина Г_оi связана с интенсивностью деформаций е_i соотношением [10]

Результаты экспериментальной проверки приведенных уравнений [7] подтверждают их адекватность.

Интенсивность деформаций для конкретного материала в рассматриваемом диапазоне скоростей деформаций и температур можно связать с плотностью дислокаций с_i в исследуемом объеме. Используя данные литературных источников [4, 11], в конечном итоге можно получить

,

где у_т - предел текучести материала поверхностного слоя заготовки при заданных условиях нагружения (если площадки текучести не наблюдается, то вместо у_т следует подставлять у_0,2);

С, n - коэффициенты, зависящие от скорости приложения нагрузки и температуры деформируемого материала;

G - модуль сдвига обрабатываемого материала;

b - вектор Бюргерса.

Приведенные зависимости позволяют достоверно определить степень деформации в любой точке поверхностного слоя, а следовательно, оценить плотность дислокаций и организацию тонких поверхностных структур шлифованных деталей. Методологической основой проведения подобной оценки может служить учебное пособие Г.Ф. Шитиковой [11].

Анализируя результаты исследований, приходим к следующим выводам:

- максимально возможная плотность дислокаций в поверхностном слое достигается при накоплении металлом деформации сдвига, равной Г_р, после чего режимы абразивной обработки перестают влиять на напряженно-деформированное состояние материала поверхностного слоя;

- увеличение плотности дислокаций в поверхностном слое будет наблюдаться при увеличении числа выхаживающих ходов шлифовального круга, числа и радиуса скругления вершин контактирующих с металлом зерен, снижении жесткости технологической системы;

- повысить накопленную степень деформации сдвига поверхностного слоя без негативного влияния температурного фактора можно путем увеличения числа выхаживающих ходов круга и скорости вращения заготовки, применения высокопористых и прерывистых шлифовальных кругов, а также путем перехода на более грубые режимы правки или применение непрерывных способов правки круга;

- неоднозначно влияние на плотность дислокаций в поверхностном слое глубины a_z внедрения вершины зерна в обрабатываемый материал: увеличение a_z приводит к повышению накопленной деформации сдвига металла при однократном контактировании с вершиной зерна, но одновременно с этим снижается общая накопленная деформация сдвига вследствие повышения производительности процесса;

- глубина залегания пластических деформаций в обрабатываемом материале увеличивается с ростом величины a_zк и радиуса с скругления вершин контактирующих с металлом зерен.

Список литературы

1. Никифоров, А.Д. Высокие технологии размерной обработки в машиностроении: учеб. для вузов / А.Д. Никифоров, А.Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров, А.Г. Схиртладзе. - М.: Высш. шк., 2007. - 327с.

2. Полянчиков, Ю.Н. Анализ и оптимизация операций шлифования / Ю.Н. Полянчиков, А.Н. Воронцова, Н.А. Чернышев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2003. - 270 с.

3. Бишутин, С.Г. Проектирование технологических операций шлифования: учеб. пособие / С.Г. Бишутин. - Брянск: БГТУ, 2008. - 124с.

4. Смелянский, В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / В.М. Смелянский. - М.: Машиностроение, 2002. - 300 с.

5. Суздалев, И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

6. Тотай, А.В. Технологическое обеспечение физических свойств поверхностного слоя, износостойкости и усталостной прочности деталей машин: автореф. дис. … д-ра техн. наук / А.В. Тотай. - Брянск: БГТУ, 1996. - 32 с.

7. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании / С.Г. Бишутин. - М.: Машиностроение, 2004. - 144 с.

8. Ефимов, В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ/В.В. Ефимов. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1992. - 132 с.

9. Катаев, Ю.П. Пластичность и резание металлов / Ю.П. Катаев, А.Ф. Павлов, В.М. Белоног. - М.:Машиностроение,1994. - 144 с.

10. Колмогоров, В.Л. Пластичность и разрушение / В.Л. Колмогоров [и др.]; под ред. В.Л. Колмогорова. - М.: Металлургия, 1977. -336 с.

11. Шитикова, Г.Ф. Влияние несовершенств кристаллической структуры на механические свойства металлов при их обработке: учеб. пособие / Г.Ф. Шитикова. - Брянск: БИТМ, 1991. - 92с.

12. Реутов, А.А. Конструкции и расчет соединений резинотканевых конвейерных лент / А.А. Реутов. - Брянск: БГТУ, 1997. -64с.

13. Пат. 2310782 РФ. Способ обработки поверхности конца ленты / Реутов А.А. - Бюл. №32.

14. Пасечный, Ф.В. Исследование прочности различных видов соединений резинотканевых конвейерных лент / Ф.В. Пасечный, Ю.А. Подопригора / Шахтный и карьерный транспорт. - М.: Недра, 1980. - Вып. 5. - С. 29-31.

Размещено на Allbest.ru