Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследования 15
1.1. Проблема усталости материалов. Особенности усталостного разрушения металлов и сплавов в условиях циклических нагружений.15
1.2. Технологические методы повышения циклической прочности материалов 23
1.3. Общий обзор и классификация методов отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) 26
1.4. Конструктивно-технологические особенности обработки фасонных поверхностей крупногабаритных и длинномерных деталей 40
1.5. Виброударная отделочно-упрочняющая обработка (ВиОУО); сущность и технологические возможности 42
1.6. Влияние отделочно-упрочняющей обработки ППД на качество поверхности и циклическую прочность деталей 50
1.7. Цель и задачи исследований 59
Глава II. Теоретические предпосылки и обоснование путей повышения циклической прочности деталей на основе совершенствования технологических схем отделочно-упрочняющей обработки фасонных поверхностей ппд многоконтактным виброударным инструментом (МКВИУИ) 62
2.1. Анализ основных параметров и схем нагружения при вибрационной обработке деталей многоконтактным виброударным инструментом (МкВиУИ) 62
2.2. Разработка и анализ параметров конструктивно-технологических схем виброударной обработки фасонных поверхностей (на примере крупногабаритных и длинномерных силовых деталей) 72
2.3. Анализ технических требований и технологических особенностей упрочняющей обработки крупногабаритных силовых деталей (на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета) 108
2.4. Пути повышения циклической прочности при виброударной обработке (ВиУ О) 120
Глава III. Методика экспериментальных исследований 122
3.1. Общие замечания, решаемые задачи и исследуемые параметры .122
3.2. Оборудование и инструменты для виброударной обработки 123
3.3. Материал, форма и размеры образцов 125
3.4. Измерительные инструменты, приборы, устройства 125
3.5. Измерение шероховатости поверхности 127
3.6. Измерение микротвердости 127
3.7. Методика усталостных испытаний 129
Глава IV. Теоретико-экспериментальные исследования 131
4.1. Разработка и технологические испытания новых схем и моделей МкВиУИ 131
4.2. Влияние условий виброударной обработки на качество поверхности 136
4.2.1. Микротвердость 136
4.2.2. Остаточные напряжения 139
4.2.3. Шероховатость поверхности 146
4.3. Разработка и исследование транспортно-обрабатывающей технологической системы (ТОТС) виброударной упрочняющей обработки длинномерных деталей
4.4. Исследование релаксационной стойкости и структурной стабильности упрочненного материала 165
4.5. Влияние условий виброударной упрочняющей обработки и качества поверхности на циклическую прочность 173
Глава V. Практическое применение результатов исследования 181
5.1. Разработка технологических рекомендаций 181
5.2. Технико-экономическая оценка результатов исследований 184
Общие выводы и рекомендации 187
Литература 189
Приложения 200
- Технологические методы повышения циклической прочности материалов
- Разработка и анализ параметров конструктивно-технологических схем виброударной обработки фасонных поверхностей (на примере крупногабаритных и длинномерных силовых деталей)
- Анализ технических требований и технологических особенностей упрочняющей обработки крупногабаритных силовых деталей (на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета)
- Разработка и исследование транспортно-обрабатывающей технологической системы (ТОТС) виброударной упрочняющей обработки длинномерных деталей
Введение к работе
Современный этап развития технологии машиностроения в значительной мере характеризуется изысканием и оптимизацией технологических приемов преобразования исходного материала детали, ее поверхности и поверхностного слоя с учетом условий эксплуатации изделия. Решается комплексная задача создания или выбора условий обработки (методов обработки), достижения качественных показателей детали (качества поверхности и поверхностного слоя), обеспечивающих наиболее высокие эксплуатационные свойства. Правомерность постановки и решения такой задачи обосновывается установлением корреляционных связей важнейших эксплутационных свойств детали, параметров качества поверхности и условий (методов) их формирования.
В современном производстве многие детали машин, в зависимости от условий их эксплуатации, подвергают упрочняющей обработке. Требования, предъявляемые к качеству рабочей поверхности, заставляют технолога подобрать наиболее эффективный метод упрочняющей обработки и, как правило, эта задача становится технико-экономической. Практика показывает, что в современном производстве не существует универсальных методов упрочнения в равной мере эффективных для обработки деталей различных типов и видов. Каждый метод имеет свою конкретную область рационального применения [80,99].
Условия работы деталей машин во многих случаях характеризуются высокими механическими и тепловыми нагрузками, наличием в сопряженном пространстве химически агрессивных или абразивных сред, что обуславливает необходимость разработки конструкционных материалов типа высоколегированных сталей и сплавов или разработку прогрессивных методов поверхностного упрочнения с нанесением покрытий, имеющих определенно заданные свойства, или создания микрогеометрии поверхностного слоя с требуемыми характеристиками.
Применение высокопрочных материалов для ответственных деталей конструкций обеспечивает снижение массы и повышение технико-экономических показателей современных машин. Однако достижение высокой статической прочности металлов сопровождается резким замедлением роста их предела выносливости. Использование высокопрочных сталей нередко ограничивается их повышенной чувствительностью к концентрации напряжений и различного рода дефектам (трещинам).
Разрушение детали в процессе эксплуатации, как правило, начинается с поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностные слои оказываются в наиболее напряженном состоянии, являются границей раздела фаз и подвергаются активному воздействию внешней среды. Отсюда вытекает необходимость улучшения физико-механических характеристик металла и геометрии рабочих поверхностей деталей.
Большое количество деталей машин при эксплуатации испытывают действия переменных, как по времени, так и по времени и знаку, сил. Их разрушение обычно происходит при напряжениях меньших не только предела прочности, но даже предела текучести материала. Явление разрушения материалов под действием повторяющихся переменных напряжений называется усталостью материалов.
Усталостному разрушению во всех случаях предшествует появление одной или нескольких малых' трещин, постоянно увеличивающихся под действием внешних сил и приводящих к окончательному нарушению целостности материала детали. Поэтому усталость металлов представляет собой развивающийся во времени процесс постепенного снижения прочности материала, вследствие появления и развития в нем трещин, под действием повторяющихся напряжений.
Теория процессов, происходящих в материале под воздействием циклических нагрузок, в частности, теория усталости металлов, занимает видное место в системе современных знаний. Это обусловлено прежде всего тем, что создание современных машин и материалов, отвечающих все
7 возрастающим требованиям машиностроения, немыслимо без научно обоснованных представлений о природе процессов, приводящих, в конечном счете, к разрушению от усталости.
Проблема усталости широкая и многогранная. Одним из важных ее аспектов является изучение особенностей пластической деформации и упрочения металлов, отличающих их состояние после циклического нагружения по сравнению со статическим.
По проблеме усталости материалов опубликованы многочисленные работы [21, 43, 25, 80], обобщающие результаты исследований, по которым можно судить об основных направлениях ее развития. Основная тенденция развития представлений об усталости состоит в следующем: от феноменологического изучения изменений свойств материала, подвергаемого циклической деформации к микроскопической картине структурных изменений, вызываемых циклическим нагружением.
Существенные успехи в исследовании физической природы усталости были обусловлены развитием эффективных тонких методов исследований, в частности, трансмиссионной электронной микроскопии, малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, рентгеновской дифракционной топографии и др.; успешным развитием теории строения реальных кристаллов; разработкой теории рассеяния рентгеновских лучей, электронов, нейтронов и пр. на реальных кристаллах. Революционизирующее влияние оказало применение разнообразных новых нестандартных методов испытаний, таких как циклическое нагружение при больших амплитудах пластических деформаций, сочетание макроскопической однонаправленной пластической деформации с циклическим напряжением и т.д.
При изучении усталости сочетаются как теоретические, так и экспериментальные исследования, стимулируя и дополняя друг друга. В области экспериментальных исследований наряду с тонкими методами изучения структуры успешно развиваются и совершенствуются традиционные макроскопические методы, которые позволяют получать
8 усредненные интегральные характеристики состояния, без чего невозможен переход от атомного механизма процесса к макроскопическим наблюдаемым параметрам.
Свойство материалов сопротивляться действию повторяющихся напряжений без разрушения называют циклической прочностью. Циклическая прочность не может адекватно определяться характеристиками статической прочности. Нахождение величин, характеризующих циклическую прочность, представляет собой значительно более сложную задачу, чем в случае статического нагружения. Сложность ее решения обусловлена многообразием способов приложения повторяющихся нагрузок. Нагружение может быть периодическим или апериодическим, симметричным или несимметричным, характер изменения нагрузки по времени может быть самым разнообразным и т.д. Поэтому обычно циклическая прочность изучается для какого-либо частного способа нагружения. Подавляющее большинство экспериментальных и теоретических работ выполнено для двух периодических циклов нагружения - симметричного и пульсирующего, при синусоидальной форме кривой
тт #
изменения напряжения по времени. Для этих двух частых случаев нагружения циклическая прочность характеризуется пределом усталости, т.е. тем максимальным напряжением, которое допускает повторение цикла без разрушения материала заданное число раз [37,43].
В этом направлении широкие исследования выполнены Одингом И.А. и его школой [71], а также Муром Г.В. и Джаспером [21, 52], Серенсеном СВ. и Кудрявцевым И.В. [19, 80] и др.
Основным источником информации о циклической прочности материалов, обычно, является зависимость числа циклов симметричного цикла нагружения, которое образец выдержал до разрушения, от амплитуды напряжения (кривая Велера).
Циклическая прочность металлов чувствительна к качеству поверхности [21, 80, 43]. Большой экспериментальный материал в этой
9 области показывает, что при грубой обработке поверхности предел усталости значительно ниже, чем при шлифованной или полированной. Снижение его тем заметнее, чем выше статические характеристики прочности, т.е. чем выше качество металла. Это обстоятельство поставило под сомнение целесообразность применения высоколегированных сталей для деталей, работающих на усталость, и обусловило необходимость тщательной обработки поверхности таких деталей. Об этой особой роли поверхности в случае циклического нагружения свидетельствуют многочисленные данные о зависимости предела усталости от режимов обработки резанием [21, 43, 99], поверхностных остаточных напряжений [43], химической и адсорбционной активнрсти среды [43, 80] и др.
Таким образом, этот аспект проблемы усталости состоит в выяснении физической природы влияния состояния поверхности и ее реакционной способности на циклическую прочность.
Характеристики статической прочности металла могут быть
определены на образцах почти произвольного размера, в то время как
циклическая прочность существенно изменяется при переходе от малых
образцов к большим, заметно снижаясь по мере увеличения размеров образца
[43, 80]. Большой экспериментальный и теоретический материал о влиянии
масштабного фактора на циклическую прочность металлов [80, 21]
свидетельствует о том, что на масштабный фактор влияют различного рода
неоднородности: неоднородность распределения напряжений,
неоднородность механических свойств, которые, в свою очередь, зависят от состава, термообработки, механической обработки и т.д. В этом аспекте проблемы усталости продолжаются исследования. Вопрос о физической природе масштабного фактора имеет принципиальное значение в решении проблемы усталости.
Циклическая прочность деталей зависит "также от их геометрической формы. Различного рода концентраторы напряжений снижают циклическую прочность [43, 80,99].
Кроме того, циклическая прочность зависит от всей совокупности технологических операций, включая металлургические факторы. В зоне контакта двух поверхностей, периодически смещающихся друг относительно друга на процесс усталости накладываются электрофизические процессы, слипание и истирание поверхностей и др. Развитие процесса усталости в различных металлах и сплавах является столь своеобразным, что приходится рассматривать по отдельности усталость сталей, цветных сплавов и т.д.
Важное место в повышении долговечности и надежности работы механизмов машин отводится процессам упрочнения деталей методами поверхностного пластического деформирования, обеспечивающими стабильные и благоприятные, с точки зрения эксплуатационных показателей, характеристики качества поверхности и поверхностного слоя.
Большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей посвящено изучению существующих и созданию новых методов ППД. Наибольший эффект упрочнения от применения ППД достигается для циклически .нагружаемых деталей с конструктивными (галтели, выточки, резьбы, зубья, шлицы и т.п.) или эксплуатационными (коррозионные повреждения, царапины, надрезы и т.п.) концентраторами напряжений.
Сравнительный анализ методов отделочно-упрочняющей обработки динамическим поверхностно-пластическим деформированием показывает, что виброударная обработка наиболее универсальна при низкой стоимости, конструктивной простоте и достаточно высокой эффективности.
В последние годы в технологии металлообработки широкое распространение получили динамические методы отделочно-упрочняющей обработки ППД и среди них виброударная обработка и ее разновидности. Многочисленными исследованиями и опытом промышленности доказана высокая эффективность применения виброударной обработки как средства повышения качества, долговечности и надежности деталей и изделий.
К особенностям рассматриваемых методов вибрационной отделочно-упрочняющей обработки (ВиОУО) следует отнести отсутствие жесткой кинематической связи между элементами технологической системы, что позволяет осуществлять обработку значительных участков или всей поверхности одновременно; некоторые схемы ВиОУО позволяют обрабатывать одновременно партии деталей, обеспечивая существенное сокращение затрат и штучного времени.
Указанные методы обработки характеризуются широкой универсальностью, высокой производительностью, обеспечивают повышение качества обработанной поверхности, долговечности деталей машин и приборов.
В частности виброударная обработка применяется для отделочно-упрочняющей обработки деталей, прежде всего сложной конфигурации, в ряде отраслей машиностроения: автотракторной, авиационной, сельхозмашиностроения, судостроения и др. Среди обрабатываемых деталей: лонжероны и панели самолетов и вертолетов, коленчатые и распределительные валы двигателей, зубчатые колеса, лопатки турбин, некоторые виды штампового и металлорежущего инструмента и др.
Виброударный наклеп осуществляется преимущественно в среде стальных полированных шаров различного диаметра из закаленной стали ШХ-15 и реже в среде твердосплавных или стеклянных шаров. Наличие полированной поверхности частиц обрабатывающей среды, технологической жидкости соответствующего состава, относительно мягкие режимы обработки создают предпосылки для эффективного сглаживания исходного микрорельефа, образования сжимающих остаточных напряжений, повышения микротвердости поверхностного слоя.
Однако, несмотря на достигнутые успехи в развитии и отмеченные технико-экономические преимущества ВиУО, резервы дальнейшего повышения ее эффективности не исчерпаны. Среди задач, требующих своего решения, следует необходимость сокращения цикла обработки путем
12 интенсификации процесса, обеспечения применения его не только в условиях серийного производства с прерывистым циклом обработки деталей, но и в условиях массового изготовления деталей, в условиях непрерывного производства.
Следующей, не менее важной задачей, является повышение эффективности использования подводимой энергии для сообщения ударных импульсов обрабатывающей среде и обрабатываемым деталям (заготовкам).
Несовершенство в использовании энергии ударных импульсов и относительно длительный цикл приводят к тому, что технологический потенциал виброударной обработки используется не полностью, что неизбежно ведет к существенным потерям в производительности.
Как известно, существующие способы и устройства в большинстве
своем реализуют схему соударения свободно-загруженных частиц среды и
обрабатываемых деталей за счет подбрасывания под действием вибраций.
При такой схеме значительная часть подводимой энергии расходуется не
рационально.
Существенное повышение эффективности использования ударных импульсов отмечается при уплотнении обрабатывающей среды и прямой схеме передачи их от источника ударных импульсов к обрабатываемой детали. При этом возрастают работа и равномерность воздействия каждой частицы на обрабатываемую поверхность, что ведет к повышению интенсивности обработки и производительности процесса.
Перечисленные возможности рассматриваемой схемы
взаимодействия обрабатывающей среды и деталей (заготовок) создают также
предпосылки для более четкого расчета и управления процессом обработки,
что весьма ценно в условиях автоматизированного производства, а широкая
t универсальность предопределяет простоту переналадки процесса и его
гибкость. Здесь появляется возможность создания новых устройств и инструментов.
13 Приведенные сведения подтверждают актуальность исследования возможности повышения эффективности виброударного наклепа на основе уплотнения среды и использования «прямой» схемы передачи удара от его источника к поверхности обрабатываемой детали; разработки новых более эффективных технологических схем ВиУО.
В ходе этого исследования в диссертации разработаны и решены следующие задачи, определяющие ее новизну:
Разработана математическая модель процесса передачи ударного импульса в системе многоконтактного виброударного инструмента, охватывающая наиболее характерные схемы обработки с использованием уплотненных сыпучих сред.
На этой основе разработаны новые технологические схемы ВиУО, созданы конструкции новых типов многоконтактных виброударных инструментов для отделочно-упрочняющей обработки ППД, являющихся развитием и реализацией схемы обработки в уплотненных средах при передаче через нее ударных импульсов.
3. Исследованы технологические возможности виброударной
обработки и приведены примеры обработки некоторых типов длинномерных
деталей с использованием МКВиУИ.
Исследованы основные закономерности процесса, характеризующие влияние условий обработки на качество поверхности.
Установлена возможность эффективного изменения микротвердости и структуры материала поверхностного слоя, шероховатости поверхности, повышения эксплуатационных свойств деталей (циклической прочности).
6. Разработана транспортно-обрабатывающая технологическая
система виброударной обработки длинномерных деталей, обеспечивающая
'А
14 сочетание транспортирования обрабатывающей среды по обрабатываемой поверхности и упрочнение последней.
7. Осуществлена технико-экономическая оценка преимуществ исследуемого процесса и инструмента, определены и рекомендованы пути эффективного использования результатов исследований в технологии изготовления деталей машин, инструментов и оснастки.
Технологические методы повышения циклической прочности материалов
В технологии изготовления изделий различного назначения широко используются технологические методы упрочняющей обработки, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств деталей, в том числе и их циклической прочности. К ним относятся различные методы термической и химико-термической обработки, криогенные методы, физико-химические, физические, механические (методы ППД) и др. Каждый их этих методов характеризуется в свою очередь различными технологическими схемами реализации, зависящими от конструктивных особенностей деталей (размеров, формы и материала), специфики производства, экономических и экологических аспектов. Наибольший эффект от применения упрочняющих методов обработки (УМО) достигается при комплексном (всестороннем) учете технических и эксплуатационных требований. Практическое применение УМО требует соответствующих подготовительных работ (апробация в производственных условиях, сравнительные испытания, подготовка технологического оснащения - оборудования, инструментов, рабочих сред, ТЖ, контрольно-измерительного оснащения, кадровое обеспечение и др.).
Особую роль для повышения прочностных характеристик силовых деталей, работающих в условиях циклических, знакопеременных и повторно-статических нагрузок играют технологические методы упрочняющей обработки.
Выше перечислены технологические методы повышения циклической прочности деталей. Так, в числе термических и криогенных методов упрочнения рассматривают отжиг для выравнивания состава и улучшения механических свойств стали, снижения и выравнивания остаточных напряжений (ОН), получения равновесных структур. Нормализация обеспечивает снятие внутренних напряжений. Закалка применяется для повышения твердости материала и изменения его структуры. Вид закалки определяется в зависимости от химического состава стали, требуемой твердости и конструкции детали. Отпуск применяется после закалки и преследует своей целью структурные превращения материала и снижение внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности [63, 99, ПО]. Положительное влияние на усталостную прочность оказывает стабилизирующая обработка (старение), способствующая выравниванию и поддержанию на определенном уровне физических и механических свойств материала, стабилизация формы и размеров детали. Существуют термические и деформационные методы стабилизирующей обработки и, в частности, вибрационная стабилизирующая обработка (ВиСО). Криогенные методы упрочняющей обработки используются для улучшения механических свойств материала (глубокое мартенситное превращение стали) и осуществляются после закалки с отпуском. Криогенная обработка характеризуется последовательностью выполнения термических и криогенных методов обработки, количеством циклов и временными интервалами между ними, продолжительностью выдержки при соответствующих температурах. Криогенная температура варьируется в интервале -50С, -180С [63, 99].
Химико-термические методы упрочняющей обработки осуществляются путем насыщения поверхностного слоя материала детали соответствующими легирующими элементами: углеродом, азотом, бором, хромом, вольфрамом, алюминием, титаном, кремнием, серой и др.
Процесс насыщения поверхностного слоя углеродом - цементация -обеспечивает повышение его твердости и прочностных свойств деталей, работающих в условиях циклических нагружений.
Насыщение материала азотом - азотирование обеспечивает значительное повышение его твердости. Совместное насыщение материала углеродом и азотом - цианирование - также обеспечивает повышение твердости и прочностных свойств детали. Диффузионное насыщение поверхностного слоя бором - борирование - применяется для повышения поверхностной твердости деталей. Используются также комплексные методы борирования с дополнением других элементов - борохромирование, боросульфидирование, бороалитирование и др.
Насыщение поверхностного слоя соединениями хрома - хромирование реализуется в процессах диффузионного хромирования, хромирования порошковой пастой, вакуумного хромирования, а также в процессах насыщения поверхностного слоя некоторыми соединениями хрома с другими элементами: CrTi, CrSi, CrAl.
Физико-химические методы упрочняющей обработки включают следующие процессы: фосфатирование, никель-борирование, никель-кобальт-фосфатирование, эниламирование и др. Физические методы упрочнения включают упрочнение лазерным лучом, электроискровым разрядом, ионно-плазменным осаждением, упрочнение наплавкой, электромеханическое, детонационное упрочнение и др.
Среди УМО широко представлены механические методы и, в частности, динамические методы обработки ППД. Достижение упрочняющего эффекта при этом осуществляется за счет многократного ударного локального пластического деформирования обрабатываемой поверхности в результате периодических соударений кинематически закрепленного или незакрепленного инструмента (среды) с деталью. Использование явления удара для достижения упрочняющего эффекта ППД характеризуется минимальными энергетическими затратами. Важная роль при этом отводится волновым процессам, сопровождающим ударное воздействие. Кинематически закрепленным инструментом осуществляется ударно-центробежная и ультразвуковая обработка, ударно-импульсное раскатывание, чеканка, виброударная обработка многоконтактным инструментом (ШСУ, КУ). Кинематически незакрепленным инструментом осуществляется реализация методов, в основе которых лежит воздействие потока твердых частиц (стальных и неметаллических частиц, дроби и др.), перемещающихся с определенной скоростью за счет энергии сжатого воздуха, струи жидкости, метательных устройств, вибрационного воздействия. К ним относятся пневмо- и гидродробеструйная обработка, дробеметная обработка, виброударная обработка и ее разновидности, ультразвуковая обработка.
Разработка и анализ параметров конструктивно-технологических схем виброударной обработки фасонных поверхностей (на примере крупногабаритных и длинномерных силовых деталей)
Рассматриваемые детали составляют особую группу и зачастую требуют обособленных решений в создании технологических схем обработки. Это преимущественно силовые детали пространственной конструкции или детали большой длины. В конструкции летательных аппаратов - это лонжероны лопастей несущего винта вертолета, шпангоуты, нервюры, стрингеры, панели крыла и фюзеляжа, некоторые детали корпусного типа авиационных двигателей и др.
При использовании известных методов обработки, технологические схемы для таких деталей, как правило, существенно отличаются от традиционных схем обработки деталей «обычных» размеров. Существенно отличается и технологическое оснащение (оборудование, приспособление).
Обрабатываемые детали в ряде случаев становятся как бы частью технологического оснащения, по которому ориентируются и перемещаются обрабатывающие станочные агрегаты (рабочие камеры, струйные и виброударные устройства, шлифующие головки и т.п.). Такое построение технологических схем сопровождается существенными технико-экономическими преимуществами - повышением производительности, снижением материало- и энергоемкости оборудования. Эти преимущества наиболее заметны при обработке длинномерных деталей. Сравнительная технико-экономическая оценка одной из разработанных технологических схем (транспортно-обрабатывающая технологическая система - ТОТС) представлена в главе V диссертации.
Обработка деталей большой длины представляет определенные трудности на различных этапах технологического процесса. Не является исключением и отделочно-упрочняющая обработка их поверхностным пластическим деформированием с целью повышения качества и эксплуатационных свойств. Разработаны технологические схемы совершенствования отделочно-упрочняющей обработки длинномерных деталей, на примере лонжерона лопасти вертолета. Материал обрабатываемых деталей алюминиевый сплав и конструкционная легированная сталь в термообработанном состоянии. Длина деталей, в зависимости от типа изделия, составляет от 2-х до 15000 мм. Обработке подвергается наружная и внутренняя поверхности, поперечное сечение которых изменяется по длине, что создает дополнительные трудности.
В качестве метода упрочняющей обработки рассматривается виброударная отделочно-упрочняющая обработка многоконтактным инструментом. Одна из схем обработки наружной поверхности длинномерной детали представлена на рис.2.2. Обработка осуществляется в «спаренной» рабочей камере 1 вибрационного станка, в среде стальных шаров dm=8 мм. В боковых стенках (обечайке) рабочей камеры предусмотрены отверстия для прохода обрабатываемой детали. Для исключения высыпания вибрирующей среды сквозь боковые окна предусмотрено специальное устройство, отсекатель 10 [1], использующее эффект «подсасывания» циркулирующей при направленном вибрационном воздействии рабочей среды.
Обработке подвергаются одновременно три детали. Последние закрепляются с помощью технологических наконечников 7 на шпинделях передней бабки 3 и пинолях задней бабки 4. Деталям сообщается осевая Soc и круговая SKp подачи. Спаренной рабочей камере 1 сообщаются колебания с частотой / и амплитудой А. Обработка осуществляется с непрерывной циркуляцией технологической жидкости (ТЖ), для чего предусмотрена соответствующая система включая бак-отстойник.
Для рассматриваемой схемы динамическими и временными параметрами, определяющими физико-механические характеристики упрочненного слоя и шероховатость поверхности, являются силы и энергия соударения, продолжительность обработки, определение которых осуществляется на основе приведенных ниже уравнений [6, 80].
Анализ технических требований и технологических особенностей упрочняющей обработки крупногабаритных силовых деталей (на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета)
Крупногабаритные силовые детали входят в конструкции изделий авиационной и ракетно-космической техники, судостроения, энергосиловых установок и ряда других. Как правило - это ответственные детали, достаточно сложной формы, изготавливаемые из высококачественных конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов, бронзы и латуни, например, судовые гребные винты). Указанные типы деталей в большинстве случаев подвергаются различным методам упрочняющей обработки.
Достаточно характерным представителем рассматриваемого класса деталей можно привести лонжерон лопасти несущего винта вертолета. Для вертолетов большей грузоподъемности лонжерон изготавливается из конструкционной среднеуглеродистой стали 40ХН2МА-Ш, в конструкциях вертолетов меньшей грузоподъемности лонжерон изготавливается из алюминиевого сплава АВТ-1.
Лопасть несущего винта является главным агрегатом вертолета, определяющим его летные характеристики и безопасность эксплуатации. Несущий винт предназначен для создания подъемной силы на всех режимах полета, движущей силы, а также для создания моментов продольного и поперечного управления вертолетом. Несущий винт состоит из втулки и пяти лопастей. Лопасти несущего винта работают при значительной по величине нагрузке от центробежной силы и переменных нагрузок - от аэродинамических и инерционных сил. С технической точки зрения лопасть - агрегат, который должен обладать максимально возможным уровнем надежности и который требует в связи с этим самого пристального внимания на всех этапах проектирования, производства и эксплуатации.
Лопасть цельнометаллической конструкции состоит из лонжерона 7, 21-го хвостовых отсеков 8, стального наконечника 2, противовесов 16 и концевой части лопасти. Она снабжена системой сигнализации повреждения лонжерона лопасти. Основным силовым элементом лопасти является лонжерон 7, представляющий собой пустотелую балку с внутренним постоянным контуром. Наружная передняя поверхность лонжерона обработана в соответствии с теоретическим контуром профиля лопасти (с учетом установки на носке лонжерона нагревательного элемента электротепловой противообледенительной системы). Лонжерон изготовлен путем механической обработки пустотелой заготовки, прессованной из алюминиевого сплава АВТ-1. Конструктивные особенности лопасти с лонжероном из алюминиевого сплава АВТ-1 представлены на рис. 2.13 а,б.
Надежность такого рода агрегатов в эксплуатационных условиях в значительной степени зависит от усталостной прочности их деталей. Испытания на усталость и наблюдения за поведением детали в условиях эксплуатации выявили влияние формы, размеров, состояния поверхностных слоев материала на прочность и долговечность деталей.
К настоящему времени разработаны реальные пути повышения прочности и увеличения срока службы деталей путем реализации конструктивных, технологических, металлургических, эксплуатационных и профилактических мероприятий.
Усталостная прочность лонжерона лопасти может существенно снизиться, если при его изготовлении будут допущены различные технологические дефекты. В частности, в процессе горячего проката материала стального лонжерона пластические деформации могут сопровождаться частичным его разрывом. Это происходит обычно при понижении температуры прокатываемой заготовки, а также в результате загрязнения материала неметаллическими и газовыми включениями, высокой пористости и других металлургических дефектов.
После горячего проката имеют место большие неровности поверхности. Последующая пластическая холодная протяжка приводит к неравномерному движению материала, при котором могут образоваться дефекты, называемые закатами. После горячего проката на поверхности заготовки остается слой окалины, который имеет большую твердость, чем металл. Если полностью не удалить окалину, то при прокате она измельчается и вдавливается в металл, образуя так называемую «сыпь».
Для устранения перечисленных и других поверхностных дефектов необходимо провести обработку, например, продольное шлифование наружной и внутренней поверхности заготовки после окончательного холодного проката. При этом продольное шлифование оговаривается особо и вполне обосновано.
После закалки и отпуска лонжерон может быть несколько искривленным и перед сборкой его приходится править. При этом в материале трубы создаются остаточные напряжения, которые приводят к снижению усталостной прочности. Для исключения необходимости правки следует производить отпуск закаленных труб в специальных приспособлениях, устраняющих деформации, возникшие в процессе закалки. Для выявления неметаллических и газовых включений каждый лонжерон подвергается проверке ультразвуковым методом.
К эксплуатационным мероприятиям отнесены меры защиты деталей от коррозии (окраска, смазка); предохранение напряженных и ответственных участков деталей от повреждения (царапины, забоины, истирание); предупреждение загрязнения рабочих поверхностей и связанных с этим явлений увеличения износа, задиров и т. п. В конструкции лопасти, у которой лонжероном является стальная труба, лонжерон обычно полностью защищен каркасом и не может быть механически поврежден в эксплуатации. Наибольшую опасность для такой конструкции представляет коррозия и поэтому срок службы таких лопастей определяется качеством антикоррозионных покрытий лонжерона.
В конструкциях лопастей, у которых лонжерон образует контур носовой части профиля, особое внимание уделяется его защите от механических повреждений. Необходимо также принимать меры для защиты лонжерона от абразивного воздействия внешней среды.
Разработка и исследование транспортно-обрабатывающей технологической системы (ТОТС) виброударной упрочняющей обработки длинномерных деталей
Исследования проведены на основе анализа существующей схемы обработки лонжерона с последующей разработкой технологической схемы, использующей эффект вибротранспортирования среды стальных шаров по обрабатываемой поверхности, обеспечивая при этом обработку последней (транспортно-обрабатывающая технологическая система - ТОТС), разработки имитационной модели для экспериментальной проверки виброударной обработки образцов-свидетелей из алюминиевого сплава АВТ-1.
Обработке подвергаются одновременно два лонжерона, расположенных крест на крест относительно друг друга, и расположенные под углом а к горизонтальной плоскости. Угол наклона вибрирующей платформы а меньше угла трения, поэтому рабочая среда совершает ускоренное движение вверх вдоль обрабатываемой поверхности. Вся система совершает вынужденные колебания от эксцентрикового привода. Осуществление режима колебаний с подбрасыванием среды стальных шаров обеспечивает виброударное её воздействие на обрабатываемую поверхность и достижение упрочняющего эффекта. Режим транспортирования с подбрасыванием характеризуется той особенностью, что рабочая среда часть своего пути совершает, соприкасаясь с поверхностью детали, а затем отделяется от нее и совершает свободное движение до тех пор, пока снова не упадет на деталь. Для равномерности обработки лонжеронам сообщается круговая подача вокруг оси.
В процессе упрочнения обрабатывающая среда, циркулируя в системе, попадает в бак - отстойник, где осуществляется промывка технологической жидкостью, затем поступает в контрольно-сортировочный автомат, где осуществляется отделение шаров с дефектами поверхности и корректировка их объема в системе. Контрольно-сортировочный автомат предназначен для контроля наличия царапин, сколов, ржавчины, качества поверхностного слоя рабочей среды. В случае обнаружения дефекта контрольно-сортировочный автомат отсортировывает вышедший из строя элемент рабочей среды. Прошедшая контроль рабочая среда возвращается в систему циркуляции, продолжая осуществлять обработку внутренней поверхности лонжеронов. Процесс продолжается в течение установленного экспериментальным путем времени Т, пока не будут достигнута требуемая степень упрочнения.
Проведен теоретический анализ соударения обрабатывающей среды с поверхностью детали. Определены величины ударного импульса, скорости соударения рабочей среды в момент соприкосновения с деталью, величина потактового перемещения, скорость транспортирования рабочей среды, толкающая сила вибротранспортирования, энергия соударения, что позволило прогнозировать ожидаемые результаты обработки: степень и глубину наклепа.
Амплитуду направленных колебаний частицы рабочей среды на поверхности детали можно разложить на продольную составляющую Ап и нормальную составляющую Ан (рис. 4.16). Экспериментально установлено, что регулирование амплитуды колебаний каждой составляющей позволит обеспечить эллиптическую траекторию колебаний, и требуемую степень наклепа поверхности.
Сверху рабочей камеры установлен ограничитель (крышка), крепящийся на шарнирах, ограничивающих высыпание среды стальных шаров за пределы рабочей камеры вследствие проявления транспортирующего эффекта. Боковые грани рабочей камеры (створки) подвижны, посредством шарнирного крепления, и способны принимать требуемое в зависимости от расположения детали положение. Детали в процессе упрочнения сообщается непрерывная круговая подача. Боковые грани накладной рабочей камеры посередине жестко соединены с подпружиненной системой шарниров. Благодаря такой системе и свойству пружин растягивать и сжимать створки короба постоянно находятся в соприкосновении с поверхностью детали, предотвращая высыпание рабочей среды. В месте соприкосновения створок рабочей камеры и поверхности лонжерона предусмотрена гибкая резиновая прокладка, для предотвращения повреждения детали (рис.4.21). В накладную рабочую камеру и во внутреннюю полость лонжерона засыпается среда стальных шаров диаметром 6 мм. Вся система совершает вынужденные колебания от эксцентрикового (или инерционного) привода.
