Способ упрочнения деталей с выступами

(23) Приоритет Гевударетеаяяы мятет СССРм язебретеяюткрытяя оваио 30.08,81, публикования о 53) УДК 621.783(088.8)етень 3 пь Дат писания 30.08.81 72 Авторобретения(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ВЫСТУПАМИ способн чи гласно кот ости зубчатых колеупрочнение производяким деформированиемтехнологического усилчей нагрузки 1,объемным пластичесзубьев под действиемя в направлений рабо этого способа является по остатко а сторо не прилож сниж ранич торые нагружнаправлении.соба связаноперемешенияьпрошедших итермическукмер, цемента применим для деталеи, ическую или химиковключаюгцую, наприи, он н лную термбрабогку,ию и закал Изобретение относится к деформзционномуупрочнению деталей машин и может быть использовано для повышения их нагрузочной звестен способ повышения изгибн не выступа, противоположнои стония технологической нагрузки, щих остаточных напряжений, Это алостную прочность изделий и ог.именение способа к деталям,коены преимущественно в одномКроме того, использование спосо значительными остаточными дового Красного Знамени государственный ниверситет Наиболее близким к предлагаемому является способ упрочнения деталей с выступами,включающий пластическую деформацию выступа изгибом и обработку поверхностного слоядетали в зоне опасного сечения выступа состороны приложения изгибающего усилия. Фактически этот способ заключается в упругопластическом изгибе при одновременной последовательно осущесгвляемой обработке поверхностного слоя детали в зоне опасного сечения, сначала повьппающей пластические свойства материала в упрочняемой зоне путем скоростногонагрева и затем фиксирующей полученное упрочнение закалкой (т.е. дополнительным поверхностным упрочнением) 21,Недостатками укаэанного способа являяттсяневысокие прочностные свойства и ограниченнаяноменклатура обрабатываемых деталей,Цель изобретения - повышение прочностныхсвойств и расширение номенклатуры обрабатываемых деталеиПоставленная цепь достигается тем, что вспособе, включающем пластическую деформа.цию выступа изгибом и обработку поверхност 8594 бб50 55 ного слоя детали в зоне опасного сечения выступа со стороны уплотнения изгибающего усилия, обработку поверхностного слоя детали взоне опасного сечения выступа производят путем приложения усилия, распределенного пообрабатываемому участку детали в зоне опасного сечения выступа, одновременно с пласти.ческим деформированием изгибом,Когда прочность торцовых участков существенно влияет на нагрузочную способность де.тали, дополнительно прикладывают распределенное усилие к торцовым поверхностям выступа в зоне его опасного сечения.При обработке детали с чередующимисявыступами и впадинами пластическую деформацию изгибом смежных выступов осуществляют путем одновременного приложения квыступам усилий во взаимно противоположных направлениях иэ зоны их общей впадины,Если такая деталь содержит нагружаемыеучастки с малыми углами профиля, то ееупрочнение производят путем протягиванияинструмента вдоль боковых поверхностей выступов. Обработка по предлагаемому способу позво. ляет повысить пластичность материала путем изменения напряженного состояния на поверх. ности. детали в упрочняемой зоне, упрочнение при этом осуществляется объемным пластическим деформированием с растянутой сторо. ны 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 реали. эовать 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 стабиль. ности упрочнения, происходит благодаря отсут. ствию сочетания силового воздействия и одно. временной термической обработки с одной и той жестороны профиля детали, При этом упрочнение может производиться и для дета. лей с малой высотой выступа, с высокими требованиями к прочностным свойствам вне 5 1 О 15 20 25 ЭО 35 40 45 зоны опасного сечения, либо изготавливаемых из материалов, плохо поддающихся закалке; со значительной концентрацией напряжений, Существенно упрощаются конструкции устрой. ства для упрочнения и технологический процесс обработки, не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала и умень. шается его количество, снижаются энергоэатраты.Реализация способа производится с учетом особенностей объемного упрочнения, возникаю. щих при обработке различных деталей. Чтобы при упрочнении некоторых деталей на их тор. цовых поверхностях не возникало двухосное, напряженное состояние (на свободной от внешних нагрузок поверхности нормальное напря- жениейЧ =О и .касательное напряжение 6=0), что могло бы привести к хрупкому разруше. нию закаленных до высокой твердости деталей или к образованию наплывов материала на торцах (а 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 поверх.ностей и его деформации вдоль геометрического концентрата детали стеснены. Такая схема технологического нагружения (О ( О) позволяет обесгечить при поперечном изгибе гицростатическое давление в зоне упрочнения материала, закаленного до высокой твердости (с учетом гидростатического давления, создаваемого фазовыми превращениями при термооб. работке 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 состоя. нии она повышает прочностные свойства мате. риала и приводит к возможности увеличения технологических усилий и остаточных напряжений. Таким образом, удается повысить пласти. ческие деформации материала при изгибе и остаточные напряжения в упрочняемой зоне,Ф снизить чувствительность к изменению параметров упрочнения и увеличить нагрузочную способность деталей. Значительные технологические усилия от изгиба унрочияемого выступа, вы. званные отсутствием термического воздейст. вия на деталь и соответствующего снижения прочностных свойств ее материала в процессе обработки, еще заметнее возрастают от рас. пределеиного усилия в зоне опасцого сечениявыступа, действие которого создает дополнительное усилие сдвига, особенно ниже опасного сечения, и вызывает в зоне углов давле. ния около 7 ь/ 2 большие нормальные растягивающне напряжения. Эта особенность напря женного 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 .ма териала у дна впадины при изменении знака деформации, что может вызвать проявление анизотропии материала, характеризуемой эффектом Баушингера, и соответствующее снижение прочностных свойств детали у дна впадины, 15 смежные выступы упрочняемой детали обра. Фзуюцне общие впадины, подвергают объемному пластическому деформированию изгибом технологическим усилием, одновременно при. ложенным во взаимно противоположных на. правлениях из эоны нх обшей. впадины, При этом создаются напряженное состояние детали и остаточные явления, симметричные по впади. не упрочняемых зубьев, что исключает изменение направлений пластического деформнрования (и явления эффекта Баушингера), К тому же основные технологические усилия имеют противоположные знаки и взаимно компенсируются, Результирующие радиальные усилия так. же легко компенсируются, например, при одноЗО временной обработке диаметрально противоположных впадин.Помимо исключения эффекта Баушингера при такой схеме технологического нагруження детали с дополнительным сдвигом и действием усилий из общей впадины зона макснмаль. 35 ных 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. Поэто. му 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 Ие 5 О 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 пе.ремещений нагружателя облегчает регулиров.ку параметров упрочнения.На фпг, 1 представлена схема осуществле.ния предлагаемого способа упрочненйя детали с одиночным выступом; на фиг, 2 - детали малой толщины с торцами; на фиг. 3 -детали с чередукнцимися выступами и впади.нами; на фиг. 4 - детали с малыми угламипрофиля в зоне приложения нагрузки и сложным профилем; выступов, чередующихся со/впадинами,Способ осуществляется следующим образоьа.К обрабатываемой детали 1 прввгавг усилие Р 4, создающее в зоне опасного сечещинапряжения, превышающие напряжение предела текучести материала детали, одновременнок поверхностному, слою детали в зоне опас.ного сечения выступа прилагают распределен.ное усилие Р, создающее трехосное напряженное состояние на поверхности детали,П р и м е р 1 (для детали с одиночнымвыступом),Упрочняемую детальредуктора 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 ради. уса 40 мм, выполненную из стали 45 ХН с пре. дслом текучести 58 кгс/мм, подвергают объем ному пластическому деформнровапию усилием Р = 70 кгс/мм со стороны СО профиля, соз. дающим в зоне опасного сечения ОС напряже. пня выше предела текучести материала, од. новременно - 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 гидростатичес. кого давления, повышение пластических свойств детали в зоне давления штампа и их снижение с противоположной стороны выступа, В результате возникает своеобразная анизотропия влас. тических свойств детали при объемном дефор- мнрованин, что позволяет получить трехслой. ный эпюр остаточных напряжений 3 и значительные остаточные напряжения отрицательного зн. ка в периферийных зонах опасного сечения.После прекращения действия нагрузки Р 4 и штампа 2 деталь 1 подвергают объемному пластическому деформированию усилием Р 4 = 80 кгс/мм со стороны Сд 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 осущест.859466 вляется линь со стороны сс 1, что усиливает.полученный ранее трехслойный эпюр остаточных напряжений Йо, который показываетналичие значительных сжимающих напряженийв зоне периферийных участков опасного сечения.П р и м е р 2 (в случае детали малойтолщины с торцами).Ось 1 редуктора установки ДГдля гра.нулирования комбикормов, выполненная изстали 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 2высотой Н = 158 мм, толщиной Я = 34 мми длиной 1. = 100 мм на пластически деформируемый материал действуют штампом 3под усилием ф 300 кгс/мм, а по торцовымповерхностям 4 штампами 5 под усилиемф=120 кгс/мм создают давление в зонах пластических деформаций материала,Для осуществления способа могут использо.ваться различные устройства, например накат 25ные станки с роликами, диаметр которыхпримерно равен половине ширины обрабатываемой детали, снабженными соосно с нимирасположенными вращающимися упорами, ит.д. и т.п.Н р и м е р 3 (для детали с чередую.30щимися выступами и впадинами).Ведомое зубчатое колесо 1 (фиг. 3) тяговой передачи тепловоза 2 ТЭ 10 Л с параметрами; модуль т = 10 мм, число зубьев75, ширина зубчатого венца В = 140 мм, 35коэффициент смещения исходного контурах = 0,437, стандартный исходный контур суглом профиля Ц =20, с коэффициентамирадиуса закругления инструментального кон.тура и высоты его головки соответственно 400,40 и 1,25, изготовленное из стали 45 ХН спределом текучести 58 кгс/мм, подвергнутоесекторной закалке ТВЧ,Смежные выступь. 2 и 3 подвергают одновременному действию следующих усилий из 45зоны их общей впадины; усилия изгиба Рц= 300 кгс/мм и Ри 300 кгс/мм и давление штампа 5 радиальным усилием РЗ,вызывающим действие распределенных усилийв зоне опасного сечения (расположенной уначала активного профиля) 01,4 30 кгс/мм,и в зоне максимальных растягивающих напряжений (расположенной у оснований зуба)75 кгс/мм,После этого аналогичной обработ 1 се подвергают смежные выступы 2 и 4, образующиесоседнюю впадину, причем усилия из зоныобщей впадины РО 2"Рщ= 300 кгс/мм, с)4 =130 кгс/мм и ф,2. - 75 кгс/мм,8П р и м е р 4 (дня обработки деталейсложного профиля).Урочняемое прямозубое цилиндрическоеколесо 1 (фиг. 4) тяговой передачи тепло.воза 2 ТЭОЛ изготовлено из сгали 45 ХП спределом текучести 58 кгс/мм и выполне.но на базе стандартного исходного контурад = 20 с модулем в = 10 мм, числомзубьев г = 75, смещением исходного контура х = О, 437 коэффициентами радиусазакругления зуба инструментального исходно.го контура и высоты его головки соответ.ственно 0,4 и 1,25.Нагружатель 2, выполненный в форме кли.на с профильным углом р= 10 активныхучастков, протягивают со скоростью Ч0,2 м/с во впадине вдоль зубьев, смазываемых жидким гипоидным маслом поГОСТ 4003 - 53, так, что его боковые поверхности контактируют с колесом у вершинсмежных зубьев по их переходных зонам ипо дну впадины и вызывают распределенноевдоль венца нормальное усилие РИ 600 кгс/мм,распределенную нормальную нагрузку интенсивностью и = 60 кгс/мм и тангенциальные усилия на контактирующих поверхностях колесазубьев Е, = 60 кгс/мм и Р, = 100 кгс/мм.При этомотсутствуюттангенциальные усилия врадиальном направлении и сжимающее усилиеР снижающее эффект действия изгибающейсилы Рн не увеличивается, что улучшает на.пряженное состояние зубьев при их упрочнении,Расчеты показывают, что остаточные напря.жения сжатия и область нх залегания в этомслучае значительно возрастают, причем степеньэтого роста определяется, в основном, угломпрофиля в зоне геометрического концентратора и деформационными свойствами материала.Так, для зубьев с профильной модификациейножки, у которых этот угол уменьшаетсяеще больше, меняется качественная картинаобъемного деформационного упрочнения благодаря использованию тангенциального усилиявдоль зуба,Предлагаемый способ создает благоприятную схему напряженного состояния в зоне упрочнения и харатеризуется новым техническимэффектом, выражающимся в повышении(остаточных напряжений сжатия на контуре детали в зонеопасного сечения и стабильности упрочиения бла.годаря отсутствию процесса термообработки, в повышении)твердости детали, прошедшей химикотермическую обработку, в создании пластическойанизотропии материала детали при изгибе, в повышении общей несущей способности детали благодаря сочетанию силового воздействия в зонеприложения изгибающего усилия и в зоне опасното сечения без образования зоны разупрочиения между ними и в области ниже зоны опасного сечения, в упрощении технологического процесса обработки, в улучшении условий тех. ники 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, з к их повьцнению, 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 напряч жений в этой зоне путем повышения внешнеи нагрузки и появлению дополнительных напряжений сдвнга от нагрузки, распределенной в зоне опасного сечения, что особенно сказыва. ется при обработке деталей с чередующимися выступами и впадинами, Возможности пластической анизотропии зубьев возрастают благо. даря созданию трехосного напряженного состояния н действию гидростатического давления. Формула из о бретен ия 1. Способ упрочнения деталей с выступами, включающий пластическую деформацию выступа изгибом и обработку поверхностного 59466 1 Ослоя детали в зоне опасного сечения выступа со стороны приложения изгибающего уси.лия, о т л и ч а ю щ и й с л тем, что,с целью повышения прочностных свойств ирасширения номенклатуры обрабатываемых де.талей, обработку поверхностного слоя деталив зоне опасного сечения выступа производятпутем приложения усилия, распределенного пообрабатываемому участку детали в зоне опас.то ного сечения выступа, одновременно с пластическим деформироваиием изгибом.2, Способ по п, 1, отличающийс я тем, что дополнительно прикладываютраспределенное усилие к торцовым поверхнос 35 тям выступа в зоне его опасного сечения.3. Способ по п, 1, о т л и ч Ъ ю щ и йс а тем, что для упрочнения деталей с чере.дующимися выступамн и впадинами пластическую деформацию изгибом смежных выступов осуществляют путем одновременного поило.жения к выступам усилий во взаимно щкля воположнь 1 х направлениях из эоны их общейвпадины.4. Способ по п. 3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что упрочнение производят путемпротягивания инструмента вдоль боковых поверхностей выступа.Приоритет по пунктам:14.10.75 по п. 204,10,74 по п.3ЭО 24,09,75 по п,4,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР Не 363307,кл. В 24 В 39/00, 1970,з 5 2. Авторское свидетельство СССР Яф 427077,кл. С 21 О 9(32, 1972 (прототип), 8594 бб859466 Составитель Техред А. Ач ВыстроиКоррек Реда Заказ 7476/ ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 44 Тираж 618 Подпмс мое ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж, Раушская наб., д. 4/5