Методическое пособие 778

УДК 621.048

А.В. Киричек1, Д.Л. Соловьев2, С.А. Силантьев2

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ВОЛНОВЫМ ДЕФОРМАЦИОННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Представлено описание способа волнового деформационного упрочнения статикоимпульсной обработкой, который обладает широкими технологическими возможностями по созданию упрочненного поверхностного слоя. Наряду с обеспечением большой глубины и степени упрочнения такой способ позволяет формировать гетерогенно упрочненную структуру, что благоприятно сказывается на долговечности деталей, работающих в условиях действия контактных циклических нагрузок. Представлены результаты эффективного применения волнового деформационного упрочнения

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, эксплуатационные свойства, глубина упрочненного слоя, степень упрочнения, волна деформации, удар

Реальный ресурс работы машин и механизмов в значительной степени определяется долговечностью наиболее нагруженных ответственных деталей, при изготовлении которых необходимо особое внимание уделять упрочняющей обработке.

Упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД) позволяет создавать наклепанный поверхностный слой, обладающий высокой твердостью и сжимающими остаточными напряжениями, благоприятно влияющими при действии на деталь циклических нагрузок. Важной особенностью способов ППД также является то, что они не требуют больших энергозатрат и применения сложного технологического оборудования.

Параметры наклепанного слоя после ППД во многом определяет нагрузка, осуществляющая пластическое деформирование. Применение ударной нагрузки энергетически более выгодно, чем статической. Кроме того, используя волны деформации, возникающие при ударе, можно более рационально распределять ударную нагрузку при упругопластическом деформировании материала, значительно увеличить КПД процесса и с большей точностью создавать требуемые для данных условий эксплуатации детали характеристики упрочненного поверхностного слоя [1-3].

Разработанный способ волнового деформационного упрочнения (ВДУ) статико-импульсной обработкой (СИО) обладает увеличенным набором технологических факторов и широким диапазоном технологических возможностей. По сравнению с другими известными способами ППД, ВДУ СИО позволяет обеспечивать большую глубину и значительную степень упрочнения (наклепа) поверхностного слоя.

Основными технологическими параметрами ВДУ СИО являются энергия и частота ударов, предварительное статическое поджатие инструмента к упрочняемой поверхности, скорость подачи.

60

Сила статической составляющей нагрузки при ВДУ СИО должна обеспечивать полезное использование энергии отраженных волн деформации при внедрении инструмента. Ее величина должна быть не менее 10 % от силы ударов. Энергия ударных волн деформации является одним из основных параметров, определяющих величину пластической деформации. Управление такой энергией осуществляется формой и размерами бойка и волновода.

При ВДУ СИО упрочненный поверхностный слой формируется в результате действия ударной нагрузки, которая сообщается в очаг деформации с некоторой кратностью. Кратность ударного нагружения очага деформации определяется размерами единичных отпечатков, а также технологическими параметрами: частотой ударов и подачей. Изменяя кратность ударного нагружения можно регулировать перекрытие отпечатков и, соответственно, равномерность упрочнения [4].

ВДУ СИО рекомендуется для упрочнения тяжелонагруженных деталей, имеющих глубину несущего слоя до 6–8 мм и более.

ВДУ СИО может применяться для различных деталей и металлических материалов. Так, глубина и степень упрочнения, например, для стали 45 достигает, соответственно, 5–6 мм и 90 %, а для стали 110Г13Л – 8–10 мм и 150 %, что связанно с ее высокой склонностью к пластическому деформированию. Очень важным параметром структуры после упрочнения волной деформации, оказывающим большое влияние на эксплуатационные характеристики, является равномерность упрочнения. Создавая гетерогенно упрочненную структуру, чередующую твердые и пластичные участки, можно значительно повысить долговечность деталей, работающих в условиях действия контактных циклических нагрузок.

В результате ВДУ СИО опытной партии сердечников крестовины Р65 типа 1/11 железнодорожных стрелочных переводов на наиболее изнашиваемой части клина и усовиков сердечников был создан гетерогенно упрочненный поверхностный слой со степенью упрочнения твердых участков достигающей 150% (исходная твердость 260 HV), а глубина упрочнения достигала 8–9 мм. При эксплуатационных испытаниях было установлено снижение износа поверхности катания клина и усовиков сердечника, что позволяет до 3 раз увеличить срок его службы относительно установленных норм [2, 4].

При накатывании ВДУ СИО ходовых резьб установлено, что, степень упрочнения твердых участков по сравнению с традиционными методами пластического деформирования повышается на 30%, обеспечивается в 1,7–2,7 раза большая глубина упрочненного слоя. Это позволяет повысить контактную выносливость резьбы в 1,7 раза по сравнению с накатанной и в 3,1 раза по сравнению со шлифованной [2, 4, 5].

61

Литература

1.Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. -М.: Машиностроение, 2004. 288 с.

2.Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. -М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

3.Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Технология упрочнения волнами деформации // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-2. С. 13-17

4.Технологическое обеспечение качества и эксплуатационных свойств упрочнением волной деформации / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.А. Силантьев, С.О. Федонина // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 12 (143). С. 46-55

5.Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник в 2 т. Т. 2. / Суслов А.Г., Бабичев А.П., Киричек А.В., Овсеенко А.Н., Мотренко П.Д., Амбросимов С.К., Афонин А.Н., Гуров Р.В., Прокофьев А.Н., Соловьев Д.Л., Хандожко А.В., Щербаков А.Н. Под общ. ред. А.Г. Суслова. -М.: Машиностроение, 2014. – 444 с.

1Брянский государственный технический университет

2Муромский институт Владимирского государственного университета

УДК 621.79

А.В. Киричек, А.Г. Сергеев, С.О. Федонина

ВЛИЯНИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПРОВОЛОЧНОГО ФИДСТОКА

НА ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПРИ АДДИТИВНОМ 3DMP-СИНТЕЗЕ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований 3DMP-синтеза с различными формообразующими траекториями движения проволочного фидстока. Установлена необходимость применения осциллирующих движений фидстока с целью повышения стабильности сварочного процесса и предотвращения возникновения дефектов формы. Приведены рекомендации использования траектории осциллирующих движений в зависимости от ширины синтезируемых стенок образцов

Ключевые слова: траектория наплавки, фидсток, 3DMP-синтез, осцилляция

62

Внастоящее время интенсивно развивается направление аддитивного производства наукоемких изделий. Среди всего многообразия аддитивных технологий большими возможностями в сочетании с высокой экономической эффективностью обладает технология 3DMP-синтеза деталей из металлической проволоки.

Особенностью данной технологии является получение окончательного изделия сваркой-наплавкой и необходимость полной автоматизации сварочного процесса.

Одной из важнейших задач технологии 3DMP-синтеза является формообразование - формирование заданной толщины и правильного профиля стенки, выращиваемой в процессе послойной наплавки. При этом большое значение имеет траектория движения фидстока.

Врезультате выбора нерациональной траектории возникают погрешности формы, следовательно, увеличивается припуск на последующую механическую обработку и уменьшается коэффициент использования материала.

Вцелях поиска рациональных путей решения данной проблемы, были проведены экспериментальные исследования результатов 3DMP-синтеза с различными формообразующими траекториями движения проволочного фидстока. Результаты исследований представлены на рис. 1.

На рис. 1а, представлена наплавка без осцилляции фидстока. Такая траектория перемещения фидстока может использоваться для получения тонких стенок, а также при работе с материалами, имеющими особые технологические свойства – минимальное растекание в расплавленном состоянии.

При данном способе возможны возникновения потеков материала как по образующей, так и по укладываемому шву, нарушения геометрической правильности стенки.

Причины дефектов: нерациональные режимы наплавки, локальный перегрев, сопровождающийся потерей устойчивости стенки.

Для повышения стабильность сварочного процесса и предотвращения возникновения дефектов формы следует применять осциллирующее движение фидстока. Из рис. 1б, 1в видно, что осцилляция не только позволяет за один технологический цикл выращивать значительно более широкие стенки, но и способствует формированию как ровных боковых поверхностей, так и структуры материала с минимальным количеством внутренних дефектов.

Рекомендуемая ширина стенки, выращиваемой в одном технологическом цикле с осциллирующим движением фидстока, составляет 10...18 мм.

При этом для более широких стенок рекомендуется п-образное осциллирующее движение, а для более тонких - пилообразное осциллирующее движение фидстока.

63

Рис. 1 Результаты и схема наплавки при различных траекториях движения

фидстока (сопла сварочной горелки): а) без осцилляции; б-в) с осциллирующим движением: б) п-образным; в) пилообразным

Брянский государственный технический университет

УДК 621.791, 621.78

О.Н. Федонин, А.В. Киричек, А.А. Жирков, С.О. Федонина

СРАВНЕНИЕ ПОРИСТОСТИ УПРОЧНЕННЫХ И НЕУПРОЧНЕННЫХ ОБРАЗЦОВ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПО РАЗЛИЧНЫМ АДДИТИВНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ ИЗ ПОРОШКА И ПРОВОЛОКИ

Приведен сравнительный анализ пористости образцов, синтезированных из порошка и проволоки.

64

Показана эффективность применения волнового термодеформационного упрочнения (ВТДУ) для, снижения размеров и количества пор

Ключевые слова: аддитивные технологии, синтез, порошок, проволока, пористость, упрочнение, волна деформации

Аддитивные технологии (АТ) активно внедряются в современное машиностроение, но, несмотря на неоспоримые достоинства (возможность изготовления сложнопрофильных изделий ответственного машиностроения, повышение коэффициента использования материала, уменьшение длительности изготовления детали и т.д.) до повсеместной замены традиционных технологий изготовления деталей механической обработкой на технологии аддитивного синтеза еще далеко. В настоящее время одной из наиболее серьезных проблем, препятствующих повсеместному распространению АТ, является недостаточная прочность и плотность, наличие пор, несплошностей и внутренних дефектов в структуре синтезированного материала детали. Внутренняя микроструктура синтезированного изделия, как правило, соответствует литому материалу.

Наиболее эффективным методом устранения внутренних дефектов (рыхлоты, поры, микротрещины, раковины, несплошности и т.д.) синтезированного материала до недавнего времени считалось горячее изостатическое прессование (ГИП) [1]. За счет комбинирования термического и деформационного давления на материал обеспечивается не только устранение дефектов, но и улучшается однородность материала при увеличении механических свойств. Однако, помимо высокой стоимости оборудования, рациональная область применения ГИП ограничивается сложностью залечивания дефектов, которые как правило, при увеличении размеров и объема детали устраняются далеко не полностью.

Большие перспективы имеет применение деформационного упрочнения в аддитивных технологиях [2, 3]. Среди известных технологий деформационного упрочнения, наиболее привлекательной для исследования является статикоимпульсная обработка волновым деформационным упрочнением [4, 5], которая отличается наиболее широкими технологическими возможностями в плане обеспечения параметров качества поверхностного слоя [6-8].

Выполнен сравнительный анализ пористости образцов, полученных различными АТ. Представлены образцы, синтезированные из стального легированного порошка (образцы №1 и №2) и проволоки (№3 и №4). С целью исследования возможности применения иных методов, позволяющих комбинировать термическое и деформационное воздействие на наплавленный материал, рассматривается метод волнового деформационного упрочнения (ВДУ) [2, 3, 9].

Синтезированные образцы №1 и №2 получены SLM–методом (Selective laser melting), образцы 3 и 4 получены 3DMP-методом, основанном на осаждении/наплавке проволоки электродуговой сваркой. Синтезированный образец №3 упрочнен волной деформации.

Установлено, что выращенный из порошка образец №1 имеет поры размером 0…20 мкм, которые занимают 0,07% исследуемой площади и трещину

65

вблизи поверхности длиной около 430 мкм, рисунок 1. Образец №2 имеет поры размером 10…62 мкм, занимающие около 0,29 % исследуемой площади образца. Размер пор в неупрочненном образце №4 составляет 4…20 мкм и занимает около 0,03% площади. Применение ВДУ позволило снизить исследуемые параметры до 0,10 мкм и 0,01% соответственно, а также уплотнить материал.

2

4

3

1

Рис. 1.1. Размер и площадь пор в зависимости от метода изготовления

Сопоставление размеров пор в изделиях, полученных в процессе аддитивного синтеза (из проволоки после обработки ВДУ, из порошка после ГИП), приводит к близким результатам. Данные применения ГИП [1] для лопаток, синтезированных из порошка жаропрочного никелевого сплава, показали уменьшение пористости с 8 мкм до 1,5 мкм, возможность полного устранения пор размером менее 0,5 мкм, «залечивание» коротких трещин длиной 100…300 мкм и частично – длинных 3…10 мм. В связи с отсутствием в [1] данных по процентному содержанию внутренних дефектов в исследуемом объеме материала, полностью сравнить технологии невозможно.

Выводы:

1.Применение ВДУ в технологиях аддитивного синтеза позволяет снизить количество пор в образцах, синтезированных из легированной проволоки,

в7 раз, с уменьшением их характерного размера в 2 раза.

2.ВДУ является полноценной альтернативой ГИП, конкурентоспособной технологией повышения качества материала синтезированных изделий.

Литература

1. Береснев, А.Г. Горячее изостатическое прессование для аддитивного производства / А.Г. Береснев, И.М. Разумовский // Аддитивные технологии. – №4(2017). – С. 50-54.

66

2.Киричек, А.В. Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Жирков А.А., Федонин О.Н., Федонина С.О., Хандожко А.В. // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2016. – № 4 (52). – С. 151-160.

3.Киричек А.В., Федонин О.Н., Соловьев Д.Л., Жирков А.А., Хандожко А.В., Смоленцев Е.В. Аддитивно-субтрактивные технологии – эффективный подход к инновационному производству // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2019. – № 8 (81). – С. 4-10.

4.Киричек, А.В. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием // А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. – Москва, машиностроение, 2004. – 288 с.

5.Киричек, А.В., Соловьев, Д.Л., Волобуев, А.В. Инновационная статикоимпульсная обработка // Наукоемкие технологии в машиностроении. ‒ 2011. ‒

№1(01). ‒ С. 43-48

6.Киричек А.В., Технологическое обеспечение параметров несущего слоя деформационным и комбинированным упрочнением Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Хандожко А.В., Федонина С.О. // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2018. –№ 10 (88). –С. 43-48.

7.Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А., Федонина С.О. Технологическое обеспечение качества и эксплуатационных свойств упрочнением волной деформации // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2018. – Т. 22. – № 12 (143). – С. 46-55.

8.Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А., Федонина С.О. Влияние процесса упрочнения волной деформации на микроструктуру материала // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2019. – № 4 (94). – С. 13-17.

9.Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Федонина С.О. Проявление технологической наследственности при исследовании твердости деформационнотермически упрочненных сталей // Наукоемкие технологии в машиностроении.

– 2019. – № 8 (98). – С. 25-28.

Брянский государственный технический университет

УДК 621.9+339

В.П. Смоленцев1, Е.Ю. Степанова2, Е.В. Смоленцев1, Ю.С. Степанов2

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВАДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ И АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ

Аддитивные и традиционные технологии имеют вполне очевидные различия, но они часто играют взаимодополняющую роль в жизненном цикле производства изделий, значительно повышая конечную эффективность обработки

67

Ключевые слова: электроэрозионная обработка, достоинства, аддитивные технологии, гибридные станки и технологии, эффективность обработки

Электроэрозионная (искровая) обработка (EDM – Electrical discharge machining) широко применяется для обработки электропроводящих материалов с микронной точностью во многих отраслях промышленности: авиационной, космической, электронной, медицинской, приборостроении, часовой промышленности и др., особенно деталей сложной формы (пресс-формы, штампы, инструменты) из труднообрабатываемых токопроводящих материалов. Удаление материала производится с помощью электроискровой эрозии. Электрическая искра является режущим инструментом.

Достоинства электроэрозионной обработки:

-возможность обрабатывать c высокой точностью токопроводящие заготовки из материалов любой твердости, нежесткие и тонкостенные;

-легкость регулирования технологических параметров, позволяющих обрабатывать большую номенклатуру материалов, включая нанокомпозиты на основе керамического порошка с добавлением в его основу проводящей фазы в виде наночастиц;

-возможность обрабатывать заготовки сложных форм при поступательном движении электрода-инструмента или проволоки;

-исключается необходимость в специальном дорогостоящем режущем инструменте;

-возможность получения сверхточных элементов формы детали и сверления отверстий сверхмалого диаметра;

-отсутствие механического воздействия инструмента на обрабатываемую заготовку за счет отсутствия их непосредственного контакта;

-значительное снижение количества отходов по сравнению с механической обработкой;

-уменьшение трудоемкости обработки сложных изделий из труднообрабатываемых металлов и сплавов;

-высокая степень механизации и автоматизации процесса обработки. Точность обработки на электроэрозионных станках достигает 2-5 мкм,

шероховатость Ra 0,05 - 0,1 мкм [1].

Изобретение электроэрозионной обработки в 1943 году нашими соотечественниками, супругами Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко имеет выдающееся значение для науки и практики во всем мире. Эта технология стоит в одном ряду с революционными мировыми технологиями.

Хотя EDM-технология активно используется в промышленности более 50 лет, существенные изменения в них приходятся на последние 20 лет, что связано с созданием станков EDM с ЧПУ, компьютеризацией управления, автоматизацией основного и вспомогательных процессов, созданием передовых систем технологической оснастки, в совокупности обеспечивающих рост производительности и качества поверхности. Благодаря этому практически все инстру-

68

ментальные производства, связанные с изготовлением штамповой оснастки и пресс-форм, оснащаются десятками единиц EDM-оборудования [2].

Аддитивные технологии (далее АМ-технологии), как и ранее электроэрозионные, представляют промышленности альтернативные варианты производства наиболее сложных, ответственных деталей машин и механизмов.

Сходство развития EDM и AM-технологий отмечено в работе [3], главного редактора журнала «Production Machining» Дерека Корна. Станки EDM c ЧПУ появились в конце 70-х годов прошлого века. Вскоре эту технологию объявили как нетрадиционную, сейчас бы ее назвали разрушительной и прорывной, которая должна была похоронить традиционные субтрактивные технологии со снятием стружки. С тех пор производители станков EDM и комбинированных методов обработки продолжают их совершенствовать, достигнув высочайшего уровня, благодаря увеличению рабочих скоростей, разработке и внедрению цифровых генераторов, линейных двигателей, систем снижения потребления проволоки, совершенствования источников питания, генерирующих искрообразование и др.

Однако, несмотря на превосходство в некоторых технических приложениях, EDM не вытеснила традиционную линейку традиционных методов механической обработки, а органично встроилась в технологические цепочки изготовления изделий.

То же самое можно отметить и про АМ -обработку. Как и электроэрозионная обработка, АМ предлагает производителям альтернативный вариант производства деталей путем послойного синтеза или выращивания изделий по цифровой модели.

АМ-технологии уже находят применение в автомобилестроении, авиакосмической промышленности, энергетике, в том числе ветроэнергетике, биотехнологиях, пищевой и кондитерской промышленности, протезировании, стоматологии, в медицинской диагностике, палеонтологии, архитектуре и дизайне, моделировании интерьера и фасадов, геоинформационных системах, сельхозмашиностроении, нефтегазовой промышленности, морском транспорте, строительстве, оборонно-промышленном комплексе, изготовлении сувениров, игрушек, изготовлении музыкальных инструментов, музейных экспонатов, скульптур, памятников. Их успешно используют модельеры, мебельщики, обувщики. Ученые работают над проблемой трехмерной печати внутренних органов человека и тканей. И это далеко не полный перечень областей применения АМтехнологий. Сложнее сказать, где такие технологии не могут быть применены

[4].

Уникальные возможности АМ-технологий, особенно в период эйфории и завышенных ожиданий, также способствовали появления мифов об окончательной гибели субтрактивной обработки. Но дальнейшие исследования и развитие АМ-технологий показало, что этого не произойдет, традиционные технологии: точение, фрезерование, шлифование, сверление и др. останутся, а они, как и EDM, займут свою нишу, благодаря возможности создавать формы и кон-

69