Способ упрочнения деталей с выступами

 

Союз Соаетскмт

Соцналмс тически к

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (Ь! )М. В(л.

С 21 О 7/02

В 21 О 21/00 (22) Заявлено 13.08.73 (21) 1956053/25-27 с присоединением заявки М 2065958/25-27, 2174644/25-27, 2181465/25-27 (23 } П рноритет

Гввударетеанеа кемятат

СССР

l0 4оА3М язебретеяяй я юткрытяй

Опубликовано 30.08.81. Бюллетень М 32

Jl,àòà опубликования описания 30.08.81 (53) УДК 621.783 (088.8) (72) Автор изобретения

Г. A. Журавлев

Ростовский ордена Трудового Красного Знамени государственный

| университет (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ВЫСТУПАМИ

Изобретение относится к деформационному упрочнению деталей машин и может быть ис-. пользовано для повышения их нагрузочной .способности.

Известен способ повьпнения нзгнбной проч-. ности зубчатых колес, согласно которому упрочнение производят объемным пластическим деформированием зубьев под действием технологического усилия в направлений рабочей нагрузки (1) .

Недостатком этого способа является появление на стороне выступа, противоположной стороне приложения технологической нагрузки, растягивающих остаточных напряжений. Это снижает усталостную прочность изделий и ограничивает применение способа к деталям,которые нагружены преимущественно в одном направлении. Кроме того, использование способа связано со значительными остаточными перемещениями, он не применим для деталей, прошедших полную термическую или химикотермическук обрабогку, включающую, например, цементацию н закалку.

Наиболее близким к предлагаемому являет ся способ упрочнения деталей с выступами, включающий пластическую деформацию выступа изгибом и обработку поверхностного слоя детали в зоне опасного сечения выступа со

$ стороны приложения изгибающего усилия. Фактически этот способ заключается в упругопластическом изгибе при одновременной последовательно осущесгвляемой обработке поверхностното го слоя детали в зоне опасного сечения, сначала повышающей пластические свойства материала в упрочняемой зоне путем скоростного нагрева и затем фиксирующей полученное упрочнение закалкой (т.е. дополнительным по1S верхностным упрочнением) (2(.

Недостатками указанного способа являются невысокие прочностные свойства и ограниченная номенклатура обрабатываемых деталей.

Цель изобретения — повышение прочностных эв, свойств и расширение номенклатуры обрабаты. ваемых деталей.

Поставленная цепь достигается тем, что в способе, включающем пластическую деформацию выступа изгибом и обработку поверхност859466

55 ного слоя детали в зоне опасного сечения выступа со стороны уплотнения изгибающего усилия, обработку поверхностного слоя детали в зоне опасного сечения выступа производят путем приложения усилия, распределенного по

% обрабатываемому участку детали в зоне опасного сечения выступа, одновременно с пластическим деформированием изгибом.

Когда прочность торцовых участков существенно влияет на нагрузочную способность детали, дополнительно прикладывают распределенное усилие к торцовым поверхностям выступа в зоне его опасного сечения.

При обработке детали с чередующимися выступами и впадинами пластическую деформацию изгибом смежных выступов осуществляют путем одновременного приложения к выступам усилий во взаимно противоположных направлениях иэ зоны их общей. впадины.

Если такая деталь содержит нагружаемые участки с малыми углами профиля, то ее . упрочнение производят путем протягивания инструмента вдоль боковых поверхностей выступов.

Обработка по предлагаемому способу позволяет повысить пластичность материала путем изменения напряженного состояния -на поверхности. детали в упрочняемой зоне, упрочнение при этом осуществляется объемным пластическим деформированием с растянутой стороны детали, что создает благоприятную анизотропню пластических свойств детали, повышает прочность деталей с любой степенью реверсивности рабочей нагрузки и с любым циклом предшествующей термической или термохимической обработки. Такой эффект достигается благодаря одновременному осуществлению повышения пластичности и прочности материала поверхностного слоя детали в зоне опасного сечения и унругопластического изгиба. Это, а также обработка распределенным усилием, создающим гидростатическое давление по всей области высоких растягивающих напряжений изгиба, позволяет испольэовать большие изгибающие усилия, а значит, в полной мере реализовать объемное упрочнение изгибом и к тому же распространить его на детали с реверсивной рабочей нагрузкой.

Расширение номенклатуры обрабатываемых предлагаемым способом деталей, равно как и упрощение технологии, и повышение стабильности упрочнения, происходит благодаря отсутствию сочетания силового воздействия и одновременной термической обработки с одной и той же стор0ны профиля детали. При этом упрочнение может производиться и для деталей с малой высотой выступа, с высокими требованиями к прочностным свойствам вне

l0

ЭО

45 зоны опасного сечения, либо изготавливаемых из материалов, плохо поддающихся закалке; со значительной концентрацией напряжений.

Существенно упрощаются конструкции устройства для упрочнения и технологический процесс обработки, не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала и уменьшается его количество, снижаются энергоэатраты.

Реализация способа производится с учетом особенностей объемного упрочнения, возникающих при обработке различных деталей. Чтобы при упрочнении некоторых деталей на их торцовых поверхностях не возникало двухосное, напряженное состояние (на свободной от внешних нагрузок поверхности нормальное напряжениеG< =О и .касательное напряжение 6<=0), что могло бы привести к хрупкому разрушению закаленных до высокой твердости деталей или к образованию наплывов материала на торцах (a в результате — к снижению остаточных напряжений и ослаблению детали в этой зоне) деталей низкой твердости, одновременно с приложением основной нагрузки поперечного изгиба, вызывающей пластическую деформацию материала у торцов детали, торцовые поверхности подвергают действию нагрузки, распределенной в упрочняемой зоне. При этом материал получает трехосное напряженное состояние в упрочняемых зонах торцовых поверхностей и его деформации вдоль геометрического концентрата детали стеснены. Такая схема технологического нагружения (G> (О) позволяет обесгечить при поперечном изгибе гидростатическое давление в зоне упрочнения материала, закаленного до высокой твердости (с

1 учетом гидростатического давления, создаваемого фазовыми превращениями при термообработке и отсутствующего на незагруженной поверхности), и повысить пластичность материала, снизив опасность его хрупкого разрушения в процессе обработки. В случае достаточной пластичности материала в его исходном состоянии она повышает прочностные свойства материала и приводит к возможности увеличения технологических усилий и остаточных напряжений.

Таким образом, удается повысить пластические деформации материала при изгибе и остаточные напряжения в упрочняемой зоне, l снизить чувствительность к изменению параметров упрочнения и увеличить нагрузочную способность деталей. Значительные технологические усилия от изгиба унрочияемого выступа, вызванные отсутствием термического воздействия на деталь и соответствующего снижения прочностных свойств ее материала в процессе обработки, еще заметнее возрастают от распределенного усилия в зоне опасцого сечения

859466 выступа, действие которого создает дополнительное усилие сдвига, особенно ниже опасного сечения, и вызывает в зоне углов давления около / 2 большие нормальные растягивающие напряжения. Эта особенность напряженного состояния детали позволяет эффективно упрочнять и эоны, лежащие заметно ниже опасного сечения. Однако именно поэтому, что* бы при обработке деталей с чередующимися впадинами избежать ступенчатого наклепа .»а- »О териала у дна впадины при изменении знака деформации, что может вызвать проявление анизотропии материала, характеризуемой эффектом Баущингера, и соответствующее снижение прочностных свойств детали у дна впадины, смежные выступы упрочняемой детали,. обраФ зую цне общие впадины, подвергают объемному пластическому деформированию изгибом технологическим усилием, одновременно приложенным во взаимно противоположных направлениях из эоны нх общей. впадины. При этом создаются напряженное состояние детали и остаточные явления, симметричные по впадине упрочняемых зубьев, что исключает изменение направлений пластического деформирования (и явления эффекта Баушингера). К тому же основные технологические усилия имеют противоположные знаки и взаимно компенсируются. Результирующие радиальные усилия также легко компенсируются, например, при одноЗО временной обработке диаметрально противоположных впадин.

Помимо исключения эффекта Баушингера при такой схеме технологического нагружения детали с дополнительным сдвигом и действием усилий иэ общей впадины зона максималь- 35 иых растягивающих напряжений смещается к основанию выступа и достигается эффективное упрочнение диа впадины, что расширяет номенклатуру обрабатываемых деталей на детали с тонким ободом, с тепловой посадкой венца 40 на обод, малого диаметра и т.д. и т.п. Поэтому нри обработке деталей со сложным профилем выступов (с возрастающими к вершине профильными углами) или с малыми профильными углами в зоне приложения нагрузки на 45 нагруженную часть поверхности детали одновременно воздействуют дополнительным усилием в направлении вдоль ее выступов, протягивая инструмент вдоль боковых поверхностей выступов, при этом тангенциальные усилия не у1 увеличивают радиальную составляющую общей нагрузки, повышаются растягивающие напряжения выступов со стороны их общей впадины и снижаются сжимающие напряжения с противоположных сторон их профилей, улучшается характер распределения остаточных напряжений и возрастает их величина. Помимо этого даже при заметном отличии в профильных углах различных участков обрабатываемой поверхности отсутствие радиальных перемещений нагружателя облегчает регулировку параметров упрочнения.

На фпг. 1 представлена схема осуществления предлагаемого способа упрочненйя детали с одиночным выступом; на фиг. 2 — детали малой толщины с торцами; на фиг. 3— детали с чередукнцимися выступами и впадинами; на фиг. 4 — детали с малыми углами профиля в зоне приложения нагрузки и сложным профилем .. выступов, чередующихся со

/ впадинами.

Способ осуществляется следующим образом.

К обрабатываемой детали 1 пркнагаиг ус1еwe г4, создающее в зоне опасного сечения напряжения, превыпаинцие напряжение предела текучести материала детали, одновременно к поверхностному, слою детали в зоне онасного сечения выступа прилагают распределенное усилие Р, создающее трехосное напряженное состояние на поверхности детали.

Пример (для детали с одиночным выступом) .

Упрочняемую деталь I редуктора установки типа ДГ для гранулирования комбикормов. (фнг. 1) с выступом высотой Н 100 мм и толщиной равной 22 мм, с геометрическим концентратором в виде дуги окружности радиуса 40 мм, выполненную из стали 45XH c предслом текучести 58 кгс/мм, подвергают объем. ному пластическому деформнровапию усилием

Р = 70 кгс/мм со стороны С1 профиля, создающим в зоне опасного сечения ОС напряжения выше предела текучести материала, одновременно — действию распределенного уси. лия в зоне опасного сечениями давлением штампа 2 под усилием Р 80 кгс/мм, созда. ющего нормальные усилия до 30 кгс/мМ, вызывающие трехосное напряженное состояние на поверхности детали, действие гидростатического давления, повышение пластических свойств детали в зоне давления штампа и их снижение с противоположной стороны выступа. В результате возникает своеобразная анизотропия пластических свойств детали при объемном дефор- мнрованин, что позволяет получить трехслойный эпюр остаточных напряжений Я » и значщтельные остаточные напряжения отрицательного зн»ка в периферийных зонах опасного сечения.

После прекращения действия нагрузки Р( и штампа 2 деталь 1 подвергают объемному пластическому деформированию усилием Р4

= 80 кгс/мм со стороны с4 профиля, создающим в зоне опасного сечения ОСнапряжения выше предела текучести материала, и одновременно — действию распределенного усилия в зоне опасного сечения ОС давлением штампа под усилием Р = 80 кгс/мм. В результате объемное пластическое деформирование осущест859466

l5 вляется лишь со стороны cd, что усиливает. полученный ранее трехслойный эпюр остаточных напряжений 6g, который показывает наличие значительных сжимающих напряжений в зоне периферийных участков опасного сечения.

Пример 2 (в случае детали малой толщины с торцами) .

Ось 1 редуктора установки ДГ-1 для гранулирования комбикормов, выполненная из стали 45 с пределом текучести 58 кгс/мм, нагружают изгибающим усилием С „=80 кгс/мм, вызывающим пластические деформации материала в зоне геометрического концентратора (дуга окружности радиуса 20 мм), и одновременно с растянутой стороны выступа 2 высотой H = 158 мм, толщиной S = 34 мм и длиной 1. = 100 мм на пластически деформируемый материал действуют штампом 3 под усилием ф 300 кгс/мм, а по торцовым поверхностям 4 штампами 5 под усилием ф=120 кгс/мм создают давление в зонах пластических деформаций материала.

Для осуществления способа могут использоваться различные устройства, например накат25 ные станки с роликами, диаметр которых примерно равен половине ширины обрабатываемой детали, снабженными соосно с ними расположенными вращающимися упорами, и т.д. и т.п.

Н р и м е р 3 (для детали с чередую30 щимися выступами и впадинами) .

Ведомое зубчатое колесо 1 (фиг. 3) тяговой передачи тепловоза 2ТЭ10Л с параметрами; модуль m = 10 мм, число зубьев

75, ширина зубчатого венца В = 140 мм, 35 коэффициент смещения исходного контура х = 0,437, стандартный исходный контур с углом профиля g =20, с коэффициентами радиуса закругления инструментального контура и высоты его головки соответственно 40

0,40 и 1,25, изготовленное из стали 45ХН с пределом текучести 58 кгс/мм, подвергнутое секторной закалке ТВЧ.

Смежные выступь. 2 и 3 подвергают одновременному действию следующих усилий из 45 зоны их общей впадины: усилия изгиба Рц

= 300 кгс/мм и Ри 300 кгс/мм и давление штампа 5 радиальным усилием Р З, вызывающим действие распределенных усилий в зоне опасного сечения (расположенной у начала активного профиля) Q4 30 кгс/мм, и в зоне максимальных растягивающих напряжений (расположенной у основания зуба)

75 кгс/мм, После этого аналогичной обработке подвергают смежные выступы 2 и 4, образующие соседнюю впадину, причем усилия из зоны общей впадины Pug"-1ù= 300 кгс/мм,-g< = („Ф

= 30 кгс/мм и ф,2=- 75 кгс/мм, 8

Пример 4 (дня обработки деталей сложного профиля).

Уцрочняемое прямозубое цилиндрическое колесо 1 (фиг. 4) тяговой передачи тепловоза 2ТЭОЛ изготовлено из с гали 45Х11 с пределом текучести 58 кгс/мм и выполнено на базе стандартного исходного контура

d = 20 с модулем m = 10 мм, числом зубьев z = 75, смещением исходного контура х = О, 437 коэффициентами радиуса закругления зуба инструментального исходного контура и высоты его головки соответственно 0,4 и 1,25.

Нагружатель 2, выполненный в форме клина с профильным углом у = 10 активных участков, протягивают со скоростью Ч

0,2 м/с во впадине вдоль зубьев, смазываемых жидким гипоидным маслом по

ГОСТ 4003 — 53, так, что его боковые поверх. ности контактируют с колесом у вершин смежных зубьев по их переходных зонам и по дну впадины и вызывают распределенное вдоль венца нормальное усилие р И 600 кгс/мм, распределенную нормальную нагрузку интенсивностью q = 60 кгс/мм и тангенциальные усилия на контактирующих поверхностях колеса зубьев F = 60 кгс/мм и F> = 100 кгс/мм.

При этом отсутствуюттангенциальные усилия в радиальном направлении и сжимающее усилие

Р снижаюшее эффект действия изгибающей силы Рн не увеличивается, что улучшает напряженное состояние зубьев при их упрочнении.

Расчеты показывают, что остаточные напряжения сжатия и область нх залегания в этом случае значительно возрастают, причем степень этого роста определяется, в основном, углом профиля в зоне геометрического концентратора и деформационными свойствами материала.

Так, для зубьев с профильной модификацией ножки, у которых этот угол уменьшается еще больше, меняется качественная картина объемного деформационного упрочнения благодаря использованию тангенциального усилия вдоль зуба.

Предлагаемый способ создает благоприятную схему напряженного состояния в зоне упрочнения и харатеризуется новым техническим эффектом, выражающимся в повышении(остаточных напряжений сжатия на контуре детали в зоне опасного сечения и стабильности упрочнения благодаря отсутствию процесса термообработки, в повышении)твердости детали, прошедшей химикотермическую обработку, в создании пластической анизотропии материала детали при изгибе, в повышении общей несущей способности детали благодаря сочетанию силового воздействия в зоне приложения изгибающего усилия и в зоне опасното сечения без образования зоны разупрочиения между ними и в области ниже зоны опасного сечения, в упри пении технологического процесса обработки, в улучшении условий техники безопасности, в снижении энергозатрат, в расширении номенклатуры обрабатываемьи изделий (по их геометрии, материалу, условиям нагружения и техническим особенностям).

Эти достоинства обусловлены созданием благоприятного напряженного состояния детали, приводящего не к снижению прочностных свойств материала, в момент его обработки, я к их повьпнению, связанному, в частности, с одновременным улучшением пластичности материала, с осуществлением разупрочненного действия у границ упрочняемой области, с увеличением внешней нагрузки и эффекта упрочняемой области, с увеличением внешней нагрузки и эффекта упрочнения (вместо разупрочнення) в зонах вне зоны опасного сечения.

Эффект упрочнения эоны, лежащей ниже эоны опасного сечения, достигается благодаря значительному увеличению растягнвающих напря жений в этой зоне путем повышения внешнеи нагрузки и появлению дополнительных напряжений сдвнга от нагрузки, распределенной в зоне опасного сечения, что особенно сказывается при обработке деталей с чередующимися выступами и впадинами. Возможности пластической анизотропии зубьев возрастают благодаря созданию трехосного напряженного cocIoяния н действию гидростатического давления.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения деталей с выступами, включающий пластическую деформацию выступа изгибом и обработку поверхностного

59466 1Ï слоя детали в зоне опасного сечения высту. па со стороны приложения изгибающего усилия, о т л и ч а ю щ и и с л тем, что, с целью повышения прочностных свойств и расширения номенклатуры обрабатываемых деталей, обработку поверхностного слоя детали в зоне опасного сечения выступа производят путем приложения усилия, распределенного по обрабатываемому участку детали в зоне опас то ного сечения выступа, одновременно с пластическим деформироваиием изгибом.

2, Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что дополнительно прикладывают распределенное усилие к торцовым поверхносl$ тям выступа в зоне его опасного сечения.

3. Способ по п. 1, о т л и ч a ю щ и йс а тем, что для упрочнения деталей с чередующимися выступамн и впадинами пластическую деформацию изгибом смежных выступов осуществляют путем одновременного поиложения к выступам усилий во взаимно щклявоположных направлениях из эоны их общей впадины.

4. Способ по п. 3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что упрочнение производят путем протягивания инструмента вдоль боковых цо. верхностей выступа.

Приоритет по пунктам:

14.10.75 по п. 2

04.10.74 по п.3

30 24.09.75 по п.4.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР Н 363307Ä кл. В 24 В 39/00, 1970. з5 2. Авторское свидетельство СССР М4 427077, кл. С 21 О 9(32, 1972 (прототип).

859466 к.

Составитель А. Выстрои

Редактор < Лембак Техред А. Ач Корректор М. Пожо

Заказ 7476/44 Тираж 618 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4