Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 9
1.1 Типичные дефекты деталей ГТД 11
1.2 Анализ исследований влияния остаточных напряжений в поверхностном слое деталей машин после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей 17
1.2.1 Влияние остаточных напряжений на прочность при статическом и циклическом нагружении 20
1.2.2 Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости 24
1.2.3 Влияние остаточных напряжений на износостойкость, коррозионную стойкость и контактную жесткость деталей 29
1.2.4 Влияние остаточных напряжений на точность деталей и надежность неподвижных сопряжений 35
1.3 Анализ методов расчетного определения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после механической обработки 37
1.4 Анализ исследований качества поверхностного слоя деталей
на основе энергетических критериев процесса обработки резанием 50
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 70
ГЛАВА 2. Расчетное определение накопленной энергии в поверхностном слое детали после обработки
2.1 Разработка общих теоретических положений 73
2.2 Расчетное определение накопленной энергии в поверхностном слое при точении 75
2.3 Расчетное определение накопленной энергии в поверхностном слое при шлифовании 104
2.4 Методика и алгоритм расчетного определения энергетического критерия качества поверхностного слоя детали 116
2.5 Выводы по главе 2 120
ГЛАВА 3. Расчетное определение остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после механической обработки 122
3.1 Общие теоретические положения 122
3.2 Обоснование выбора модельного материала 133
3.3 Расчетное определение остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали при точении 134
3.3.1 Расчет температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали при токарной обработке 134
3.3.2 Расчет остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое обрабатываемой детали при токарной обработке 143
3.4 Расчетное определение остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали при шлифовании 159
3.4.1 Расчет температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали 159
3.4.2 Расчет остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое обрабатываемой детали 165
3.5 Выводы по главе 3. 173
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование кинетики структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали после обработки шлифованием 175
4.1 Материалы для исследуемых образцов и режимы обработки 176
4.2 Оборудование, инструмент и геометрия исследуемых образцов 178
4.3 Методика измерения глубины поверхностного слоя со структурно-фазовым превращением 180
4.4 Исследование закономерности формирования глубины поверхностного слоя с изменённой структурой 184
4.4.1 Результаты экспериментального исследования структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали после обработки шлифованием 184
4.4.2 Сопоставление расчетных и экспериментальных значений глубины поверхностного слоя, в котором произошло структурно-фазовое превращение 185
4.5 Выводы по главе 4 187
ГЛАВА 5. Практическое использование результатов исследования 189
5.1 Методика расчета остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после механической обработки 189
5.2 Алгоритм расчета остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после механической обработки 196
5.3 Расчетное определение остаточных напряжений при точении и шлифовании 199
5.3.1 Точение 199
5.3.2 Шлифование 204
5.4 Выводы по главе 5 207
Общие выводы по работе 209
Список использованных источников 212
Приложения 221
- Влияние остаточных напряжений на прочность при статическом и циклическом нагружении
- Расчетное определение накопленной энергии в поверхностном слое при шлифовании
- Расчет температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали при токарной обработке
- Алгоритм расчета остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после механической обработки
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие современной техники и технологии связано с повышением требований к физико-механическим свойствам материалов и совершенствованием технологических процессов механической обработки. Обеспечение требуемых параметров точности обработки и качества обработанной поверхности возможно лишь при управлении процессом механической обработки, для чего необходимо знать поведение физико-механических свойств материала детали под влиянием множества различных факторов, иметь обобщенные аналитические зависимости между характеристиками качества поверхностного слоя и технологическими параметрами процесса механической обработки.
Настоящая работа посвящена изучению процессов формирования параметров качества поверхностного слоя деталей машин, влияющих на эксплуатационные свойства: накопленной энергии деформации в поверхностном слое и остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при различных методах обработки, а также построению математической модели и разработке методики расчета, позволяющей рассчитывать накопленную энергию и остаточные напряжения от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое деталей после механической обработки.
В настоящее время существуют методики расчета, которые учитывают одновременное влияние теплового и силового факторов на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое детали, а остаточные напряжения, обусловленные структурно-фазовыми изменениями в поверхностном слое при механической обработке, не учитываются. Их учет позволит более качественно выполнять расчет параметров качества поверхностного слоя детали и тем самым контролировать процесс механообработки, что обеспечит изготовление качественной, надежной и долговечной продукции.
Цель работы. Расчетное определение накопленной энергии деформации и остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей машин при механической обработке.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
1. На основе анализа существующих исследований выявить механизм влияния остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после механической обработки на эксплуатационные свойства, а также механизм формирования качества поверхностного слоя. Выполнить обзор методик расчетного определения остаточных напряжений при различных методах обработки.
2. Разработать математическую модель расчета накопленной энергии в поверхностном слое деталей при различных методах обработки.
3. Разработать методику и алгоритм расчета энергетического критерия качества поверхностного слоя детали после механической обработки.
4. Разработать математическую модель, позволяющую рассчитывать остаточные напряжения от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое деталей после механической обработки.
5. Провести экспериментальные исследования по изучению вопроса кинетики структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали после механической обработки.
6. Разработать методику и алгоритм расчета остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после обработки лезвийным инструментом и шлифования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель взаимосвязи удельной накопленной энергии деформации в поверхностном слое деталей и физико-механических параметров качества поверхностного слоя деталей машин.
Математические зависимости удельной накопленной энергии деформации в поверхностном слое деталей от параметров процесса резания для токарной обработки и шлифования (режимов резания и геометрии режущей части инструмента).
Методика расчета энергетического критерия качества поверхностного слоя детали после механической обработки.
Математическая модель формирования остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей из углеродистых и легированных сталей после механической обработки.
Методика расчетного определения остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей из углеродистых и легированных сталей после механической обработки.
Общая методика исследований.
Работа основана на теоретических методах исследования процессов изменения дислокационной структуры, накопления скрытой энергии деформации, а также теоретических и экспериментальных методах исследования процессов структурно-фазовых превращений, параметров состояния поверхностного слоя материала после механической обработки. При проведении исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела, теории дислокаций, технологии машиностроения и обработки материалов резанием. Эксперименты проводились по стандартным, общепринятым методикам исследования качества поверхностного слоя. Анализ и обработка экспериментальных данных, проверка параметров качества математических моделей производились с использованием программных продуктов Mathsoft Mathcad, Microsoft Office Excel.
Научная новизна.
Разработана математическая модель взаимосвязи удельной накопленной энергии деформации в поверхностном слое деталей и физико-механических параметров качества поверхностного слоя деталей машин.
Предложены математические зависимости для определения удельной накопленной энергии деформации в поверхностном слое деталей от параметров процесса резания для токарной обработки и шлифования.
На основе анализа структурных и фазовых изменений в поверхностном слое материала обрабатываемых деталей установлена математическая модель формирования остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей из углеродистых и легированных сталей после механической обработки.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные алгоритм и методика расчета энергетического критерия качества поверхностного слоя детали после механической обработки позволяют путем расчета технологических условий обработки управлять процессом механической обработки с целью обеспечения заданного предела выносливости материала обработанной детали.
Разработанные алгоритм и методика расчетного определения остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое детали после механической обработки, позволяют технологу на стадии проектирования технологического процесса с более высокой точностью определять величину остаточных напряжений в зависимости от режимов обработки и геометрии режущего инструмента.
Апробация работы.
Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении», Самара, 2008 г.; Международном молодежном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», Санкт-Петербург, 2009 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений», Рыбинск, 2009 г.; Международной научно-технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ», Брянск, 2009 г., 2010 г.; 63-й Региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, посвященной 1000-летию Ярославля, Ярославль, 2010 г.; Научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении», Ишимбай-Уфа, 2010 г.; Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2010 г.; IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроении, транспорта и сельского хозяйства «ИнЭРТ-2010», Ростов-на-Дону, 2010 г и др.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованных источников, приложения. Объем работы – 261 страница машинописного текста, включающего 97 рисунков в тексте работы и 45 рисунков в приложении, 20 таблиц, 119 формул, список использованных источников из 72 наименований.
Влияние остаточных напряжений на прочность при статическом и циклическом нагружении
Качество поверхностного слоя деталей машин влияет на эксплуаци-онные свойства их. Однако в ряде случаев нет единого мнения о характере этого влияния как в качественном, так и количественном отношении.
Так исследованиями профессора Маталина А. А. [9, 54] установлено, что при нормальной температуре остаточные напряжения, наклеп и шероховатость поверхности изменяют усталостную прочность в соотношении 1,5x1,25x1,03.
Влияние остаточных напряжений на выносливость объясняется механизмом усталостного разрушения, в основе которого лежит образование и развитие в процессе циклического нагружения микротрещин усталости. При этом поверхностно-активные вещества, проникающие внутрь микротрещин, способствуют их развитию, расклинивая в процессе деформации их стенки. Факторы, способствующие процессу образования микротрещин усталости и облегчающие их дальнейшее развитие, будут снижать предел усталости, а факторы, затрудняющие образование трещин и замедляющие их развитие, будут способствовать возрастанию выносливости. К факторам, затрудняющим образование микротрещин, относятся остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, которые слагаясь с действующими внешними напряжениями, уменьшают циклические растягивающие напряжения. В противоположность сжимающим, растягивающие остаточные напряжения, складываясь с действующими циклически прикладываемыми растягивающими напряжениями, ускоряют образование трещин усталости и снижают предел выносливости. Оценить степень влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости наряду с другими параметрами качества поверхностного слоя трудно, так как они изменяются по величине в процессе работы. Тем не менее установлено, что влияние остаточных напряжений преобладает для металлов высокой прочности, а влияние наклепа - для металлов низкой прочности [13].
В работах профессора Сулимы отмечается, что если деформация материала является упругой, то напряжение в любой его точке есть суперпозиция остаточных напряжений о"ост и внешнего (рабочего) напряжения стр. Поэтому необходимо избегать появления в детали о"ост того же знака, что и ар. Остаточные макроняпряжения мало или вообще не влияют на прочность материала, если при испытании (эксплуатации) происходит его макроскопическое пластическое деформирование [54].
При циклическом нагружении релаксация макронапряжений наблюдается в том случае, когда сумма о"ост и о"р превосходит циклический предел текучести. Причем характер взаимодействия остаточных и рабочих напряжений зависит от вида напряженного состояния, скорости нагружения, температуры нагрева, окружающей среды и структурного состояния материала. В литературе давно дискутируется вопрос о влиянии наклепа поверхностного слоя и остаточных макронапряжений на изменение сопротивлению усталости. Повышение предела выносливости при 20G сталей, подвергнутых ГШД, обусловленное макронапряжениями До .! и наклепом поверхностного слоя Да"_і зависит от структурно-фазового состояния материала. Для; образцов; из сталей с сорбитной и трооститной структурами величина Aa".i/Ao .i (Aa.j = Aa .i + Aa"_i — общее увеличение предела выносливости, где Aa .! и Aa"-i —рост предела выносливости; обусловленный соответственно макронапряжениями и наклепом поверхностного слоя), положительна, но снижается от 77 до 42 % с ростом микротвердости от 200 до 480 HV. Это обусловлено ростом предела текучести и соответственно остаточных макронапряжений в сталях при увеличении их твердости [55].
Однако для сталей с мартенситной структурой величина Ас".і становится отрицательной. Отмечено, что эффективность ГШД зависит от микротвердости стали и при 700 HY она практически равна нулю. Можно предположить, что это обусловлено повышенной хрупкостью мартенсит-ных сталей после ГШД; что облегчает процесс зарождения трещин.
Результаты многочисленных исследований показывают, что при высокой температуре нагрева и циклическом нагружении остаточные макронапряжения независимо от их значения и знака мало или вообще не ока- . зывают влияния на сопротивление усталости жаропрочных сплавов. Это обусловлено прежде всего быстрой релаксацией сост при нагреве образцов..
Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность шлифованной поверхности выражается более четко и определенно. Многочисленными исследованиями С. В. Серенсена, И. В.,Кудрявцева, М. Ж. Са-верина, В. В. Рябченкова, Е. Г. Коновалова и других установлено, что при наличии в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений усталостная прочность значительно возрастает.
Пластическая деформация металла зависит не только от величины действующих по плоскостям скалывания касательных напряжений, но также от их эффективности, причем последняя определяется величиной и знаком нормального напряжения, действующего в плоскости сдвига, и структурными особенностями деформируемого металла. Исходя из этого, очевидно, что наличие остаточных напряжений может изменить величину скалывающих напряжений, действующих в плоскостях сдвигов, или изменить нормальные составляющие и тем самым влиять на эффективность скалывающих напряжений. Замечено, что остаточные напряжения растяжения в меньшей степени снижают усталостную прочность, чем такие же по величине сжимающие напряжения повышают ее. Это различие эффективности одинаковых по величине растягивающих и сжимающих напряжений тем больше, чем больше разница в прочности металла при растяжении и сжатии [54].
По опытам С. В. Серенсена, для сталей повышенной твердости повышение предела усталости от напряжений сжатия достигает 50%, а снижение от напряжений растяжения — 30%. Очень важным обстоятельством является то, что величина напряжений, созданных в результате шлифования, одного порядка с величиной напряжений, которые создаются специальными упрочняющими процессами (так называемой «упрочняющей технологией»). Следовательно, путем рационального подбора режимов шлифования можно получить такие напряжения поверхностного слоя, которые обеспечат максимальную долговечность деталей.
В исследованиях проф. А. В Тотай показано, что явление усталостного разрушения деталей связано с пластической деформацией, при которой происходит реализация различных механизмов взаимодействия дислокаций, скопление вакансий и зарождение усталостной трещины. Было установлено, что зарождение усталостных трещин в структуре металла наблюдается при плотности дислокаций 10ю см"2 при исходной плотности 108 см"2. Таким образом, для технологического обеспечения усталостной прочности необходимо оценивать плотность дислокаций вместе с другими параметрами состояния поверхностного слоя. В табл. 1.2 приведены фрагменты базы данных технологических возможностей некоторых финишных методов обработки закаленных конструкционных и легированных сталей, по которым: видна роль технологии в формировании плотности, дислокаций.
Расчетное определение накопленной энергии в поверхностном слое при шлифовании
С увеличением скорости резания возрастает температура нагрева, приводя к повышению диффузионной подвижности атомов кристаллической решетки, уменьшению искажений кристаллической решетки, а следователь но к снижению упрочнения и уровня запасенной энергии. Кроме того, с рос том скорости резания меньшее количество тепла будет переходить в деталь; - при увеличении подачи при точении накопленная энергия деформа ции возрастает в связи с увеличением глубины наклепа, так как в подача в основном оказывает силовое воздействие на поверхностный слой и при ее возрастании повышается упрочнение поверхностного слоя детали; - с ростом глубины резания при токарной обработке и шлифовании уровень запасенной (скрытой) энергии увеличивается. Это обуславливается тем, что увеличение глубины резания приводит к увеличению числа дефектов кристаллической структуры, сопровождаясь увеличением поверхностной твердости, наклепа и, следовательно, возрастанием накопленной энергии; - при увеличении таких параметров геометрии резца, как главного угла в плане (р и радиуса округления режущей кромки резца р\ удельная скрытая энергия деформации увеличивается, так как эти возрастание этих параметров приводит к повышению упрочнения поверхностного слоя материала детали. С увеличением переднего у и заднего а углов резца, а также радиуса при вершине резца в плане г уровень удельной накопленной энергии деформации снижается, так как уменьшается количество искажений кристаллической решетки и происходит снижение упрочнения поверхностного слоя детали; - при возрастании продольной подачи обрабатываемой детали при обработке шлифованием скрытая энергия деформации уменьшается; - для более пластичных материалов (сталь 15, сталь 45) при шлифовании уровень запасенной энергии превышает уровень запасенной энергии для никелевых и титановых сплавов. Такая последовательность определяется сочетанием спектра физико-механических свойств рассматриваемых материалов и характера обработки. Это объясняется тем, что чем выше рабочая температура металла, тем меньшим запасом скрытой энергии он должен обладать; 4. Полученные математические зависимости для расчетного определения скрытой энергии деформации в поверхностном слое обработанной детали позволяют в соответствии с ранее выполненными исследованиями определять качество поверхностного слоя по энергетическому критерию качества. Остаточные напряжения в поверхностном слое от температурного и силового факторов при токарной обработке и шлифовании могут быть определены по методике проф. В.Ф.Безъязычного. Тепловые остаточные напряжения обусловлены напряжениями, возникающими в поверхностном слое при нагревании и охлаждении, причем они возникают только в том случае, если напряжения при нагревании превышают предел текучести. Напряжения, действующие в поверхностном слое при охлаждении, могут быть как упругими, так и упругопластическими. Поэтому возможны две схемы образования тепловых остаточных напряжений при охлаждении: в поверхностном слое возникают только упругие деформации; в поверхностном слое возникают упругие и упругопластические деформации. При этом расчет тепловых остаточных напряжений может производиться как с учетом так и без учета упрочнения обрабатываемого материала. Таким образом, при получении зависимостей для определения тепловых остаточных напряжении приняты следующие условия и допущения [13,56]: 1. Остаточные напряжения определяются на основании теоремы Генки о разгрузке и равны алгебраической сумме напряжений, возникающих при нагружении и снятии нагрузки. 2. Обрабатываемый материал не претерпевает фазовых и структурных превращений. 3. Рассматривается плоское напряженное состояние. 4. Принято линейное упрочнение обрабатываемого материала. Условие возникновения пластических деформаций определяется на основе анализа энергетической теории прочности при плоском напряженном состоянии [13]: Для напряженного состояния при условии G\ = з2 = о момент наступления пластического состояния записывается следующим образом: а = ат, то есть диаграмма деформирования материала как при упругих, так и при пластических деформациях полностью совпадает с диаграммой растяжения.
При обработке резанием на поверхностный слой обрабатываемой детали оказывают влияние силовые поля, действующие со стороны передней и задней поверхности резца. Целесообразно раздельно определять остаточные напряжения от силы, действующей по передней поверхности, и силы, обусловленной трением между обрабатываемой поверхностью и задней поверхностью резца, а затем, используя принцип суперпозиции, определять суммарные остаточные напряжения как алгебраическую сумму напряжений, возникающих при нагружении действием вышеуказанных сил и разгрузке после прекращения действия этих сил.
При механической обработке остаточные напряжения могут возникнуть вследствие неодновременного изменения объемов по сечению тела, происходящего в результате чисто теплового расширения при нагреве и охлаждении и вследствие неодновременного и неоднородного изменения удельных объемов, вызванного структурно-фазовыми превращениями. Для определения остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений применим методику расчета тепловых напряжений с учетом структурно-фазовых превращений для сталей, подвергаемых термической обработке, разработанную В. В. Абрамовым [43,45].
Расчет температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали при токарной обработке
Задаются исходные данные для расчета: физико-механические характеристики обрабатываемого материала, режимы обработки и параметры геометрии режущей части инструмента, физико-механические характеристики инструментального материала, параметры оборудования.
Рассчитывается температура в поверхностном слое детали в момент максимального нагрева при механической обработке.
На основании анализа полученных значений температуры в поверхностном слое детали при обработке определяются режимы обработки, при которых возникает температура нагрева поверхностного слоя выше 0 =727 С и глубина поверхностного слоя, в котором температура превышает 727С, что соответствует положению критической точки Асі для углеродистой стали, то есть началу аустенитного превращения. Эта глубина определяет глубину поверхностного слоя, в котором произойдет структурно-фазовое превращение. 4. В соответствии с п.З выполняется расчет относительных свободных удлинений в зависимости от значений температуры в поверхностном слое детали, полученных в п. 2, для аустенита при нагревании (формула 3.3 и табл. 3.1) и для мартенсита при последующем охлаждении (формула 3.4 и табл. 3.1). 5. Полученные значения относительных свободных удлинений в зависимости от значений температуры нагрева поверхностного слоя детали подставляются в уравнение (3.19) и рассчитываются значения напряжений при нагреве (для структуры аустенит) и при охлаждении (для структуры мартенсит) по глубине поверхностного слоя, в котором произошло структурно-фазовое превращение. 6. Определяются остаточные напряжения от структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали после механической обработки: В качестве объекта исследований были выбраны модельные материалы сталь 15 и сталь 45. Этот выбор обусловлен, во-первых, тем, что исследование проводится по методике исследования тепловых напряжений с учетом фазовых превращений для углеродистых и легированных сталей, во-вторых, при нагреве, превышающем 727С, для этих марок сталей имеет место превращение перлита в аустенит, параметры которого хорошо изучены и представлены в литературе [42-45]. Из малоуглеродистых и среднеуглеродистых мягких сталей, типа стали 10, в ГТД изготавливают детали воздушных уплотнений вала компрессора (например, лабиринтных уплотнений). Для изготовления лопаток направляющих аппаратов компрессора ГТД используются среди других и сталь 20, так как эти лопатки испытывают меньшие нагрузки, чем рабочие лопатки. Также данные материалы используют и для изготовления спрямляющих (неподвижных) лопаток компрессора. При температуре нагрева колес отдельных ступеней до 450 С применяют в ряде случаев также углеродистые и легированные стали, а начиная с температуры выше 450 С уже жаропрочные стали и сплавы [69-70]. Кроме того, стали, типа сталь 20, используются при изготовлении малонагруженных оболочек ГТД. В-целом, углеродистые стали 15 и 45 по своим свойствам относят к сталям перлитного класса, к которому принадлежат и низколегированные стали (типа 40Х), а также низколегированные жаропрочные стали (типа 12Х1М1Ф, 12Х2МФБ - ЭИ531, 25Х1М1Ф, 20ХЗМВФ - ЭИ415 и др.), применяемые, например, при изготовлении полувалов газовой турбины (ЭИ415), дисков проточной части компрессора (18ХНВА, 10ХНЗА), валов ГТД (40ХНМА, 18ХНЗА, 12ХНЗА), зубчатых колес ГТД (ЭИ415, 18ХНВА, 40ХНМАидр.) Таким образом, результаты исследования остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений в стали 15 и стали 45 могут быть использованы при анализе результатов механической обработки деталей авиационных двигателей, изготавливаемых из сталей перлитного класса, в-частности, из низколегированных жаропрочных сталей. После подстановки этих значений в уравнение (3.20) были получены значения максимальной температуры в поверхностном слое материала детали в зависимости от режимов обработки, которые представлены графически на рисунке 3.9 (а-е). Расчет температуры в поверхностном слое материала детали при токарной обработке в зависимости от вспомогательного угла в плане щ показал, что этот параметр не оказывает заметного влияния на изменение температуры в поверхностном слое материала детали. Также был произведен расчет температуры для условий: материал образца — сталь 15, обработка - точение за 1 проход, материал резца — Т15К6, геометрия инструмента - р = 45, 50, 55, 60, р\ = 10, 15, 20, 25, 30, а = 6, 8, 10, 12, у = а, радиус скруглення режущей кромки г = 0,5, 0,8, 1, 1,5 мм. Режимы резания: глубина резания t = 0,5, 0,8, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 мм, подача S= 0,11, 0,15, 0,23, 0,3, 0,35 мм/об, скорость резания v = 150, 180, 210, 240, 270 м/мин. В результате расчета были получены следующие значения максимальной температуры в поверхностном слое материала детали в зависимости от режимов обработки (см. рисунок 3.10 (а-е)). При расчете остаточных напряжений от структурно-фазовых превращений будем рассматривать только те режимы обработки, которые обеспечивают температуру нагрева поверхностного слоя выше 727С и ту глубину поверхностного слоя, в котором температура превышает эти 727С, что соответствует положению критической точки Аі для углеродистой стали, то есть началу аустенитного превращения.
Алгоритм расчета остаточных напряжений, обусловленных структурно-фазовыми превращениями в поверхностном слое деталей после механической обработки
Экспериментальное исследование посвящено вопросам подтверждения или опровержения предложенной методики для расчета структурно-фазовых напряжений в поверхностном слое деталей после механической обработки.
Необходимым является условие, при котором обработка шлифованием выполнялась без применения СОТС по двум соображениям: а) при шлифовании до 90 % зерен шлифовального круга не режут, а пластически деформируют металл. Поэтому заметное влияние на термодина мику процесса шлифования оказывает смазывающий эффект СОТС, эффек тивность которого, в свою очередь, во многом определяется способностью материала к пластической деформации. Следовательно, применение СОТС в неодинаковой степени повлияет на формирование свойств в поверхностном слое материалов с разной деформационной способностью. б) другой особенностью применения СОТС является её охлаждающий эффект. В связи с этим, при шлифовании закаленных материалов в процессе шлифования может происходить вторичная закалка или при обработке высо коуглеродистых сталей в отожженном состоянии охлаждающий эффект СОТС может также вызывать закалку поверхностного слоя при температуре превышающей характерные точки на диаграмме состояния. В связи с невозможностью учесть вклад СОТС в формирование сил, температур резания и свойств поверхностного слоя, было принято решение производить обработку без СОТС, что обеспечит чистоту проведения эксперимента. Для проверки предложенной в главе 3 настоящей работы методики необходимо экспериментально оценить наличие структурно-фазового превращения в поверхностном слое, оценить глубину слоя, в котором произошло это превращение, в зависимости от различных режимов обработки. Основываясь на анализе научных работ, изложенном в главе 1 диссертационной работы, есть основание полагать, что для испытания образцов необходимым и достаточным условием является экспериментальное исследование структурно-фазовых превращений в поверхностном слое детали после применения одного из видов механической обработки — плоского шлифования периферией круга. После данной обработки формируется поверхностный слой со структурно-фазовым превращением, на вид и параметры которого не оказывает влияния тип механической обработки, а влияет максимальная температура нагрева поверхностного слоя детали в момент обработки. Проведенные эксперименты позволили выявить не только наличие структурно-фазового превращения в поверхностном слое материала детали, но и определить закономерность формирования глубины поверхностного слоя с изменённой структурой. В качестве материала для исследуемых образцов выбрана сталь 45 в исходном состоянии. Она представляет собой железо — углеродистый сплав. В химический состав этой стали входит углерод С с процентным содержанием 0,42-0,50, марганец Мп в количестве 0,50-0,80%, кремний Si в количестве 0,17-0,37%, S 0,040%, Р 0,035%, Cr 0,25%, Ni 0,30%, As 0,08%, N 0,008%, Cu 0,30%. Данная сталь как и большинство сталей этой группы обладает невысокими литейными свойствами: она имеет пониженную жидкотеку-честь, дает большую линейную усадку, склонна к образованию неоднородной структуры при затвердевании (усадочных раковин и трещин). Однако сталь 45 имеет высокие механические свойства, прочность и вязкость. 177 Механические свойства стали 45, принятые для средних значений температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали следующие: 1. Предел прочности при растяжении ав = 570 МПа; 2. Предел текучести От = о о,2 = 480 МПа; 3. Относительное удлинение 8 = 0,357; 4. Предел сопротивления пластическому сдвигу тР = 410 МПа; 5. Твердость обрабатываемого материала не более НВ = 170-180. Технологические свойства: Стали указанного выше химического состава не склонны к отпускной хрупкости и отличаются достаточно хорошей обрабатываемостью резанием в отожженном состоянии, в том числе и твердосплавным инструментом, а также деформационными методами. Это позволяет вести обработку с использованием высокопроизводительных режимов резания. Сталь 45 относится к термоулучшаемым сталям, т.е. в качестве термообработки применяется закалка и далее высокий отпуск на сорбитную структуру. Детали, изготовленные из такой стали, надежны и долговечны в работе и неплохо выдерживают ударные нагрузки.
Выбор модельного материала обусловлен тем, что в стали 45 при температуре нагрева поверхностного слоя свыше 727 С имеет место превращение перлита в аустенит, параметры которого хорошо изучены и представлены в литературе [42-45]. Данная сталь относится к сталям перлитного класса. Результаты исследования процесса структурно-фазового превращения в стали 45 при плоском шлифовании (то есть при одновременном воздействии и пластической деформации и неизотермического нагрева) могут применятся в исследовании процессов, происходящих при механической обработке деталей авиационных двигателей, изготавливаемых преимущественно из низколегированных жаропрочных сталей перлитного класса.
В качестве варьируемых параметров режимов резания при плоском шлифовании выступали глубина шлифования и скорость подачи. Они оказывают заметное влияние на возникновения температур и сил резания, которые формируют свойства поверхностного слоя материала детали. При выборе режимов обработки для исследуемых образцов руководствовались справочной литературой [67, 68]: диапазон значений скорости детали (продольной подачи) составил Snp = 1,2...20,8 м/мин при глубине резания t = 40 мкм и t = 80 мкм.
