ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Эффективным методом повышения износостойкости деталей машин является поверхностная закалка. Использование непосредственно металлорежущего оборудования для нагрева материала детали в процессе абразивной или лезвийной обработки является новым перспективным направлением в методах поверхностной закалки. Нагрев обрабатываемой поверхности  достигается в процессе резания за счет пластических деформаций и трения между инструментом и заготовкой и сопровождается отделением стружки. Существует также относительно новый метод деформирующего резания (ДР), основу которого составляет как процесс резания, так и целенаправленного деформирования подрезанного слоя. В отличие от известных методов поверхностной закалки точением или шлифованием, закалка ДР производится без отделения материала заготовки в виде стружки. Подрезанный слой остается на поверхности в виде плотно уложенных слоев, прочно прикрепленных к основе.  Цель работы: апробация метода деформирующего резания как средства поверхностного закалочного упрочнения. Задачами работы являлось выявление основных закономерностей и особенностей такой поверхностной закалки. В работе исследованы закаленные слои на наружной поверхности стальных образцов полученных методом ДР с толщиной закаленного слоя до 0,6 мм на сталях 20,35, 40Х. Методами исследования являются металлографические исследования закаленной структуры, в т.ч. распределение твердости, измерение сил  и температур закалочного ДР, проведение сравнительных триботехнических испытаний. Результаты и обсуждение. Для ДР используется специальный инструмент, обеспечивающий процесс резания главной режущей кромкой, и исключающий процесс резания на вспомогательной кромке, являющейся деформирующей. При ДР подрезаемый слой интенсивно деформируется, нагревается и охлаждается за счет теплоотвода в сердцевину заготовки. Это приводит к образованию на поверхности закаленных наклонных тонких ребер, имеющих прочную связь с основой и плотно скрепленных друг с другом. Показано, что при закалочном ДР достигаются температуры подрезанного слоя, достаточные для структурно-фазовых превращений в сталях. Установлено, что скорости нагрева составляют более двух миллионов градусов Цельсия в секунду при сверхвысоких степенях и скоростях деформации, сопровождающих процесс ДР. Указанные условия при высоких скоростях охлаждения приводят к образованию  упрочненных структур повышенной твердости и износостойкости. Показана возможность получения закалочных структур с толщиной упрочненного слоя до 1 мм, в том числе, состоящих из чередования наклонных слоев различной твердости, аналогичных по строению с дамасской сталью. Экспоненциального падения твердости по толщине упрочненного слоя, характерного для всех методов поверхностной закалки при ДР не наблюдается. Метод закалочного ДР имеет уникальные возможности воздействия на материал заготовки, соизмеримые со взрывными процессами по плотности мощности, развиваемым давлениям и скоростям нагрева. Образцы, закаленные ДР показали преимущества по износостойкости по сравнению с образцами объемной закалки. Закалка поверхностного слоя детали с использованием метода ДР экономически целесообразна, имеет высокую производительность, низкое энергопотребление  позволяет отказаться от традиционных операций термообработки, требующих дорогостоящего специального оборудования, что в целом подтверждает перспективность развиваемого подхода закалки поверхностного слоя деталей.

1. Rajan T.V., Sharma C.P., Sharma A. Heat treatment principles and techniques. – Delhi, India: PHI Learning, 2011. – 408 p. – ISBN 812030716X.

2. Davis J.R. Surface hardening of steels understanding the basics. – Materials Park, OH, USA: ASM International, 2002. 319 p. – ISBN 0871707640.

3. Guo Y.B., Janowski G.M. Microstructural characterization of white layers by hard turning and grinding // Transactions of NAMRI/SME. – 2004. – Vol. 32. – P. 367–374.

4. Упрочнение покрытий специальным точением / С. Скобло, В.В. Коломиец, В.Ф. Ридный, Р.В. Ридный // Вісник СевНТУ. – 2010. – № 110. – C. 208–211.

5. Experimental investigation of hard turning / S. Naik, C. Guo, S. Malkin, D.V. Viens, C.M. Pater, S.G. Reder // 2nd International Machining and Grinding Conference. – Dearborn, MI, 1997. – P. 224–308.

6. Surface layer microhardness changes with high-speed turning of hardened steels / J. Kundrak, A.G. Mamalis, K. Gyani, V. Bana // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2011. – Vol. 53 (1). – P. 105–112.

7. Liu Z.Q., Ai X., Wang Z.H. A comparison study of surface hardening by grinding versus machining // Key Engineering Materials. – 2006. – Vol. 304–305. – P. 156–160.

8. An investigation of the grinding-hardening induced by traverse cylindrical grinding / T. Nguyen, M. Liu, L. Zhang, Q. Wu, D. Sun // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2014. – Vol. 136 (5). – P. 051008-1–05100-10. – doi: 10.1115/1.4028058.

9. Hyatt G. Integration of heat treatment into the process chain of a mill turn center by enabling external cylindrical grind-hardening // Production Engineering – Research and Development. – 2013. – Vol. 7 (6). – P. 571–584. – doi: 10.1007/s11740-013-0465-3.

10. Patent 5775187 U.S. Method and apparatus of producing a surface with alternating ridges and depressions / N. Zoubkov, A. Ovtchinnikov. – N 8/545,640; appl. date 27.04.1994; publ. date 07.07.21998.

11. Патент 2556897 Российская Федерация. Способ поверхностного закалочного упрочнения режуще-деформирующим инструментом / Н.Н. Зубков, С.Г.Васильев, В.В. Попцов. – № 2014101642/02; заявл. 21.01.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.

12. Kukowski R. MDT – Micro deformation technology // Proceedings of ASME 2003 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – Washington, DC, 2003. – P. 305–308.

13. Boiling heat transfer of different liquids on microstructured surfaces / I.A. Popov, A.V. Shchelchkov, N.N. Zubkov, R.A. Lei, Yu.F. Gortyshov // Russian aeronautics. – 2014. – Vol. 57, N 4. – P. 395–401. – doi: 10.3103/S1068799814040138.

14. Investigation of heat transfer in evaporator of microchannel loop heat pipe // A. Yakomaskin, V. Afanasiev, N. Zubkov, D. Morskoy // Journal of Heat Transfer. – 2013. – Vol. 135 (10). – Art. 101006. – doi: 10.1115/1.4024502.

15. Novel electrical joints using deformation machining technology. Part I: Computer Modeling / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky, A. Elmoursi // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 2 (10). – P. 1711–1717. – doi: 10.1109/TCPMT.2012.2207723.

16. Novel electrical joints using deformation machining technology. Part II: Experimental verification / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky, A. Elmoursi // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 2 (10). – P. 1718–1722. – doi: 10.1109/TCPMT.2012.2199755.

17. Zubkov N.N., Sleptsov A.D. Influence of deformational cutting data on parameters of polymer slotted screen pipes // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2016. – Vol. 138, N 1. – P. 011007-1–011007-7. doi: 10.1115/1.4030827.

18. Klocke F. Manufacturing processes. 1. Cutting. – Berlin: Springer, 2011. – 504 p. – ISBN 978-3-642-11978-1. – doi: 10.1007/978-3-642-11979-8.

19. Chou S.K., Evans C.J. White layers and thermal modeling of hard turning surfaces // International Journal of Machine Tools & Manufacture. – 1999. – Vol. 39. – P. 1863−1881.

20. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 663 c. – ISBN 978-5-7038-2701-7.

21. Mohamad A. Wear performance of a laser surface hardened ASTM 4118 Steel // Engineering and Technology Journal. – 2013. – Vol. 31, N 17. – P. 2335–2344.

22. Маслов А.Р. Резание металлов в современном машиностроении. – М.: ИТО, 2008. – 299 c. – ISBN 5-94275-049-1.

23. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. – М.: Атомиздат, 1968. – 483 c.

24. Davim P. Machining of hard materials. – London: Springer, 2011. – 211 p. – ISBN 978-1-84996-449-4. – doi: 10.1007/978-1-84996-450-0.

25. Burakowski T., Wierzchon T. Surface engineering of metals: principles, equipment, technologies. – Boca Raton, FL: CRC Press, 1998. – 592 p. – ISBN 9780849382253.

26. Altgilbers L. Explosive pulsed power. – London, UK: Imperial College Press, 2011. – 596 p. – ISBN-10: 1848163223.

27. Majumdar J.D., Manna I. Laser-assisted fabrication of materials. – Berlin: Springer, 2013. – 485 p. – ISBN 978-1848163225.

28. Оценка триботехнических характеристик стали 40Х после закалки деформирующим резанием [Электронный ресурс] / С.Г. Васильев, А.Г. Дегтярева, Н.Н. Зубков, В.В. Попцов, В.Н. Симонов // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2017. – № 11. – URL: http://engjournal.ru/articles/1698/1698.pdf (дата обращения: 14.05.2018). – doi: 0.18698/2308-6033-2017-11-1698.