Содержание к диссертации
Введение
1 Совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» 12
1.1 Обзор и анализ опубликованных работ по совершенствованию технологических методов повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» 12
1.2 Эксплуатационные свойства прецизионных деталей 13
1.2.1 Усталостная прочность 14
1.2.2 Сопротивление изнашиванию 15
1.2.3 Противозадирные свойства 15
1.3 Анализ особенностей и свойств антифрикционных материалов прецизионных деталей «тело вращения» 16
1.4 Объекты исследования 17
1.5 Анализ показателей эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» 23
1.5.1 Прогнозирование жизненного цикла прецизионных деталей 27
1.5.2 Прогнозирование жизненного цикла прецизионных деталей по критерию «вероятность безотказной работы» 28
ь* V
1.6 Цель работы и задачи исследования 34
2 Теоретические основы напряженного состояния прецизионных деталеи«тело вращения» и их гидродинамики в условиях технологического поверхностного пластического деформирования 36
2.1 Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния прецизионных деталей в условиях технологического поверхностного пластического деформирования 35
2.2 Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей - поршней регулятора скорости после технологического поверхностного пластического деформирования
Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей - золотников регулятора скорости после технологического поверхностного пластического деформирования 49
Динамическая модель нагружения масляного слоя в прецизионных деталях в условиях технологического поверхностного пластического деформирования путем применения поверхностно-активных веществ 54
Динамическое нагружение поверхностного слоя высоконагруженной прецизионной детали после технологического поверхностного пластического деформирования 59
Выводы 63
Разработка и обоснование совершенствования технологических методов и средств повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей 65
Технологическая ультразвуковая обработка прецизионных деталей «тело вращения» 65
Методика планирования многофакторного эксперимента при ультразвуковой обработке 74
Повышение эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» применением поверхностно-активных веществ 76
Выводы 85
Методики экспериментальных исследований напряженного состоянияпрецизионных деталей «тело'вращения» и гидродинамики маслянного слоя после технологического поверхностного пластического деформирования 86
Задачи экспериментальных исследований напряженного состояния прецизионных деталей на образцах
Оценка виброударного нагружения и начальных технологических остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования прецизионных деталей 86
Определение напряжений в прецизионной детали от действия статических нагрузок 93
Экспериментальная оценка гидродинамики масляного слоя в узлах трения «прецизионная деталь - направляющая втулка» 96
Повышение эксплуатационной надёжности прецизионной детали в условиях совершенствования технологического поверхностного пластического деформирования 103
Выводы 106
Технико - экономическое обоснование совершенствованияя технологических методов повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» , 108
Годовой экономический эффект от совершенствования ультразвукового упрочнения прецизионных деталей «тело вращения» 108
Годовой экономический эффект от совершенствования технологии поверхностно-активных веществ в технологию обработки прецизионных деталей «тело вращения» 114
Заключение 118
Список использованной литературы
- Эксплуатационные свойства прецизионных деталей
- Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей - поршней регулятора скорости после технологического поверхностного пластического деформирования
- Методика планирования многофакторного эксперимента при ультразвуковой обработке
- Определение напряжений в прецизионной детали от действия статических нагрузок
Введение к работе
Экономически обоснованное стремление к повышению агрегатных мощностей за счет увеличение параметров термодинамического цикла и частоты вращения коленчатого вала при одновременном улучшении показателей эксплуатационной^ надежности вызывает необходимость наиболее полного совершенствования технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения», влияющей на усталостную прочность, износостойкость и несущую способность конструкции.
В? течение последних лет затраты на ремонт машин, работающих в различных областях машиностроения, возросли?в .2,5 раза, а наработка на отказ: у отремонтированных машин снизилась в 2-3 раза. Снижение эксплуатационной надежности техники, занятой в народном хозяйстве и эксплуатируемой, как правило, круглогодично; приводит к значительному снижению эффективности производства в целом. При этом 40-50% неисправностей приходится на двигатель как энергетический объект любых машин, а из них около 25% отказов от общего количества отказов дизеля? составляют неисправности прецизионных деталей регуляторов скорости. И это, / несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится; на двигатель (по данным Ф.Н; Авдонькина; А.С. Денисова и др.).
Главной особенностью регуляторов скорости форсированных дизелей является то, что прецизионные детали (поршни, золотники) работают в условиях динамических деформаций под действием ударно-циклических динамически установившихся меняющихся- нагрузок. Так, например; радиальная деформация поршней, золотников, как прецизионных деталей! регуляторов скорости эквивалентна- динамическому изменению кривизны рабочей поверхности направляющих втулок. Это, как: правило; приводит к увеличению толщины масляного слоя и, следовательно^ к повышению запаса несущей способности сопряжений «поршень - направляющая втулка», «золотник - направляющая втулка» регулятора скорости; с другой стороны, -
вызывает дополнительные динамические напряжения в поверхностных слоях материала этих деталей, снижающие запасы усталостной прочности. Силы гидродинамического давления1 и деформация изгиба в элементах регулятора скорости создают в их материале сложное напряженное состояние. Силы давления вызывают знакопостоянные пульсирующие напряжения сжатия, деформация изгиба — появление .тангенциальных знакопеременных напряжений. Таким образом, поверхностный слой прецизионных деталей регулятора скорости испытывает плоское напряженное состояние, компоненты которого изменяются во времени по сложным законам. В этом случае наступление опасного состояния поверхностного слоя поршней, золотников может быть вызвано различными значениями главных напряжений, при которых наступит опасное состояние поверхностного слоя материала, связанное с возникновением больших начальных остаточных напряжений или усталостных трещин. Появление последних вызывает качественно иные гидродинамические силы, создающие расклинивающий эффект, ускоряющий процесс разрушения прецизионных деталей регулятора скорости.
- Актуальность. Эксплуатационная надёжность машин определяется
в» основном качественным состоянием рабочих поверхностей деталей, формируемых на финишных операциях технологических процессов (напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, технологические остаточные напряжения, динамика нагружения, физико-механические свойства материала, макро - и микрогеометрия, геометрическая точность). Стабильность геометрических размеров, например, достигается за счёт снижения начальных технологических остаточных напряжений и повышения релаксационной» стойкости, осуществляется различными технологическими методами, называемыми процессами вибрационного' старения. Выходным параметром систем вибрационного старения является динамическая, сила, изменяемая как по амплитуде, так и по частоте, так как эффективность вибрационного старения зависит главным образом от деформации металла,
7 которая в свою очередь, определяется прикладываемой динамической нагрузкой. Создание на рабочих поверхностях прецизионных деталей композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ (ПАВ) как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) снижает динамическую нагрузку в слое путём формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионных деталей с втулками. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется, повышая1 его несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность конструкций. Применение таких покрытий является весьма перспективным направлением, открывающим широкие возможности управления физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей. Несмотря на успех в этих областях ряд важных теоретических и практических вопросов не нашли своё отражение в технологических процессах получения биметаллических слоев и композиционных покрытий из эмульгаторов, различных участков поверхности конструкций.
Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является эффективным и экологически чистым способом упрочняющей обработки деталей ультразвуком (УЗО) с одновременным нанесением антифрикционных композиционных покрытий. В основу метода положен процесс технологического ППД, который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки и составом покрытия, получить поверхность с необходимыми физико-механическими свойствами. В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния материала поверхностных слоев прецизионных деталей, технологических остаточных напряжений в них, оптимальной шероховатости, обеспечивающих повышенные эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей.
В' связи с вышеизложенным, актуальным является комплексное исследования процесса обработки, изучения,взаимосвязи показателей динамики нагружения поверхностей с режимами обработки, составом покрытия, эксплуатационными характеристиками контактирующих поверхностей.
Данная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы, ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0:13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей ) внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения, что подтверждает её актуальность.
Цель работы совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» на основе применения УЗО и ПАВ для обеспечения эксплуатационной надёжности деталей машин за счёт улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей.
Объектом исследования являются прецизионные детали «тело вращения» (золотники и поршни сервомотора всережимного регулятора скорости ВРН-30) для форсированных дизелей 6ЧН21/21 (6ДМ-21А) ОАО «Волжский дизель им. Маминых».
Предметом исследования являются процессы поверхностного пластического деформирования прецизионных деталей регуляторов скорости форсированных дизелей.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием методов технологии машиностроения, расчетно-аналитических методов» теории упругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследования базировались на электротензометрии- с применением приборов «Стресскан -500» и «ИОН — 4М» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.
9 Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем:
- разработку и апробацию на практике технологического метода УЗО,
решение аналитическим методом задачи по определению комплексного
критерия - коэффициента динамичности во время УЗО.
- разработку, обоснование и внедрение технологического метода
эксплуата-циионного исследования гидродинамики прецизионных деталей, а
также совокупность научных положений и рекомендаций по применению ПАВ.
развитие и решение поставленной практикой задачи теории виброударного динамического нагружения прецизионных деталей и образцов-свидетелей при УЗО.
Практическая ценность и реализация результатов работ. Предложенные технологические методы ППД нагруженных поверхностей прецизионных деталей «тело вращения», проведённые в лабораторных и производственных условиях, повышают эксплуатационную надёжность путём, снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям деталей в 3-5 раз.
Конструкторско — технологические решения, применение композиционных материалов и поверхностно-активных веществ изменяют условия смазки в прецизионных деталях путём демпфирования колебательного процесса и снижения динамики нагружения, чем повышается несущая способность масляного слоя и прецизионной детали.
Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом № НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000-2007г.г., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надёжности машиностроительных изделий конструкторско-
10 технологическими методами», что подтверждается имеющимися актами внедрения: ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Саратовдизель-аппарат», ООО ПКР «Дизельсервис», ООО «Автоколонна». Работа прошла апробацию на практике совершенствования технологий ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на XI Международной конференции «Современные технологии в
машиностроении» (Пенза, 2007г.);
на Межгосударственных научно-технических семинарах по двигателям внутреннего сгорания (Саратов 2006-2007г.г.);
на VIII Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов 2005г.);
на IX Межвузовской Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково 2007г.);
на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета 2007г.;
на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2002- 2007г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном-ВАК. Общий объём публикаций составляет 2,85 п.л., в том числе 2,15 п.л. принадлежащих лично автору.
На защиту выносятся:
технология ППД образцов-свидетелей прецизионных деталей деформированием технологической УЗО и ПАВ;
- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния
технологических остаточных напряжений от технологического ППД УЗО и
ПАВ на общее суммарное напряженное состояние прецизионных деталей;
- результаты теоретических исследований по определению основных
закономерностей напряженного состояния прецизионных деталей «тело
вращения» на основе базового метода конечных элементов.
\
/^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, / общих выводов, списка используемой литературы 100 наименований. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, \ содержащей 40 рисунков, 16 таблиц.
Эксплуатационные свойства прецизионных деталей
Одним из показателей оценки-материала прецизионных деталей регулятора скорости и, их эксплуатационной надежности является сопротивляемость изнашиванию элементов трущейся пары. Согласно. классификации М.М. Хрущева [13], основными;видами износа пары «прецизионная1 деталь - втулка» являются: абразивный износ, износ за- счет схватывания, усталостный и кавитационный. Сравнительные испытания различных антифрикционных материалов при трении об абразивную поверхность по методике М.М. Хрущева [13] показали, что сопротивляемость антифрикционного материала при абразивном износе прямо пропорциональна его твердости:
Как показали исследования [7], при абразивном, износе свинцовистые бронзы характеризуются большими разрушениями по сравнению со сталями вследствие более высокой твердости и температуры, начала рекристаллизации свинцовистых бронз.
По мере увеличения нагрузок на прецизионные детали регулятора скорости и роста поступательных скоростей вероятность задиров возрастает. Обширные исследования: [12] по определению влияния твердости и легирования на задиростоикость различных сплавов показали, что с возрастанием содержания олова увеличивается допускаемое давление, при котором наступает заедание и увеличивается коэффициент трения. Изменение количества олова позволило сделать вывод о том, что .в процессе трения происходит износ пятен контакта, покрытых пленками олова, и образование новых аналогичных участков контакта.
В настоящее время на повышение эксплуатационной надежности узлов и деталей направлено большое число проводимых исследований по изготовлению составов антифрикционных материалов для конкретных условий эксплуатации, совершенствования технологии производства. Однако проблема совершенствования технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» до настоящего времени полностью не решена.
Для прецизионных деталей (поршней и золотников регулятора скорости форсированных дизелей) используется сталь на основе никеля Х18Н9Т, допуская нагрузку на деталь Ктах= 18-20 МПа при скоростях скольжения V=4-6 м/с. Как показали испытания, прецизионные детали из стали Х18Н9Т склонны к повышенной эрозии, к усталостным повреждениям в виде выкрашивания и усталостных трещин. По этим причинам в качестве контртела для изготовления втулок прецизионных деталей регуляторов скорости рекомендована свинцовистая бронза БрСЗО и БрОС1-22, допускающая нагрузку Ктах до 30 МПа для БрСЗО и Ктах до 35 МПа для БрОС1-22 при скоростях скольжения до 12 м/с [79]. Свинцовистая бронза является мягким антифрикционным материалом с хорошей прирабатываемостью и относительно низкой несущей способностью. Втулки прецизионных деталей из свинцовистых бронз характеризуются сравнительно низкой сопротивляемостью коррозии и кавитационной эрозии под воздействием масла, что ускоряет их усталостное разрушение. К тому же, свинцовистые бронзы обладают относительно низкой сопротивляемостью к образованию задиров.
В быстроходных форсированных транспортных дизелях для изготовления втулок прецизионных деталей регулятора скорости применяют прочные износостойкие материалы - оловянные и алюминиевожелезные бронзы БрОЦЮ-2, БрОС4-25, БрОФ7-0,2, БрАЖ9-4 [12]. Бронза БрОЦЮ-2 плохо поглащает абразивные частицы. Поэтому её применяют для изготовления втулок поршней и золотников регуляторов скорости, работающих при высоких удельных давлениях; она выдерживает большие ударные нагрузки.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки композиционных антифрикционных материалов на основе железа и меди. Материалы на основе железа? являются наиболее распространенными спеченными антифрикционными материалами из-за недефицитности исходного сырья и возможности широкого влияния на их антифрикционные свойства за счет легирования и введения различных присадок. Применяют пористое железо (марки Ж), железографиты (марки ЖГр-1, ЖГр-2, ЖГр-3 и др.), железографиты с медью (марки Гр1Д0,5), железографиты сульфидированные (марки ЖГрІКІ, ЖГр1ДСЗ,5 и др.). Втулки поршней и золотников регуляторов скорости из этих материалов эффективнее, чем из дефицитных сплавов - при граничной смазке и без смазки [64].
С 1969 года в. Великобритании, начат выпуск биметаллического композиционного материала со сплавом АО20-1. В настоящее время заканчиваются эксперименты по изготовлению сплавов, содержащих 30-50% Sn взамен АО20-1. Указанные биметаллы получили распространение в Великобритании, Дании и других странах [81]. Данные сплавы характеризуются высокими антифрикционными свойствами. Их повышенная износостойкость связана с большим количеством мягкой структурной составляющей, исполняющей роль смазки на поверхностях трения деталей.
Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей - поршней регулятора скорости после технологического поверхностного пластического деформирования
Задачи исследования некоторых технологических операции, таких, например, как ультразвуковая обработка поверхностей прецизионных деталей регуляторов скорости выходят за рамки, очерченные законом Гука, и сплошь и рядом приходится рассматривать вопросы, связанные с поверхностным пластическим деформированием. При решении подобного рода задач закон Гука теряет свою силу, и прямая пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями; описывается по более сложной упруго-пластической зависимости. Изучение механики технологического ППД и установление количественных связей между режимами последнего и напряженно-деформированным состоянием обработанных технологическим ППД поверхностей деталей составляет предмет исследования важного технологического направления, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев после технологического ППД, сложно. Однако разработка основ расчёта с приемлемой для практики их использования точностью является одной из актуальных проблем теории и практики технологического ППД.
Технологические процессы механической обработки, ультразвуковой обработки, гидродробеструйного упрочнения наряду с микрогеометрией, глубиной и степенью упрочнения прецизионных деталей формируют неоднородное силовое поле начальных технологических остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных технологических остаточных напряжений при технологической упрочняющей обработке служат пластическая деформация, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения в материале деталей усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных технологических остаточных напряжений.
Проследить последовательно этапы формирования неоднородного силового поля начальных технологических остаточных напряжений очень сложно, так как эта задача не имеет ни теоретического, ни экспериментального решения. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных технологических остаточных напряжений в режиме «насыщения», то есть на таком этапе процесса, дальнейшее проведение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.
Рассмотрим схему формирования начальных технологических остаточных напряжений в пластически деформированном поверхностном слое детали после его разгрузки из предельного состояния. Для» этого возьмем в» объеме полубесконечного тела цилиндрический стержень - образец ВС (рис.2.6), жестко защемленный и нагруженный силой Р. Элемент АС представляет упрочнённый слой высотой 0,015/, элемент АВ - не упрочненный участок высотой / (высота 0,015/ соответствует рекомендуемой в литературе минимальной толщине покрытия или максимальной глубине упрочненного слоя, соответствующей 0,3 мм). Естественно, что верхняя часть стержня находится в упругой области. Согласно диаграмме для идеального упругопластического тела нижний участок стержня не может воспринимать большей нагрузки, чем NAK GTF. Поэтому при дальнейшем увеличении внешней нагрузки Р возрастает нагрузка, воспринимаемая верхним участком. В предельном состоянии при Р=Рцр усилия, воспринимаемые верхним и нижним участками стержня, будут равны: NAC = ат F и NAB =(7T-F (2.20) Тогда предельная нагрузка определяется из условия: TY = NAB+NAC-PnP=0;PnP=2cyT F (2-21)
Сопоставим значения допускаемых нагрузок при расчете по методу допускаемых напряжений и по предельному состоянию. По предельному состоянию [PnPh = = 2[a]-F (2.22) п п По методу допускаемых напряжений N) NAtt P = 0,0145- H; с = max ( ,FJ F s max [p] = 67,66[cr]F. Из формул (2.22) и (2.23) видно, что при расчете по предельному состоянию выявляются существенные резервы несущей способности конструкции Ы = 0,0295 (2.24)
Выполним разгрузки стержня из предельного состояния. Согласно теореме об упругой разгрузке разгрузка эквивалентна приложению нагрузки противоположного знака и происходит упруго. Решение упругой задачи выполнено выше (2.17).
Методика планирования многофакторного эксперимента при ультразвуковой обработке
Эксплуатационная надёжность высокофорсированных дизелей зависит от сохранения первоначальных размеров и формы их базовых деталей.
Обычно детали, изготовленные в соответствии с чертежом и установленные на дизель, по истечении некоторого времени изменяют геометрические размеры (и форму - эллипсность, овальность, огранку). Эти изменения соизмеримы с зазорами в сопряжениях «прецизионная деталь -втулка» регулятора скорости. Причина указанного явления — высокий уровень начальных технологических остаточных напряжений. Принимая во внимание наличие в указанных конструкциях концентраторов напряжений или поверхностных дефектов (царапин, забоин, местного наклёпа), являющихся очагами развития усталостных трещин, требуется выбор технологического ППД поверхности путём искусственного создания начальных технологических остаточных напряжений сжатия.
Определение начальных технологических остаточных напряжений на поверхности высоконагруженных деталей сложной конфигурации современных форсированных дизелей представляет весьма сложную задачу. По этой причине при расчёте различных конструкций» на усталостную прочность учитываются только статические и динамические характеристики, а запасы прочности без начальных технологических остаточных напряжений оказываются заниженными. Для повышения запаса усталостной прочности вводится усреднённое значение начальных технологических остаточных напряжений. При этом последние, суммируясь, например, с динамическими напряжениями от внешних нагрузок, могут превысить предел текучести, вызывая коробление деталей и появление усталостных трещин. Известен метод динамического нагружения отливок для стабилизации размеров, путём принудительной вибрации [57]. При этом в отливке возникают затухающие колебания, создающие дополнительные напряжения в материале детали. Так как вибрационная обработка способствует уменьшению коробления последней, считается, что она вызывает резкое снижение остаточных напряжений, имевшихся в отливке. В способе вибрационного старения деталей, включающем вибрационную обработку [57], эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладывающей нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудителем, а также геометрической формой детали. Недостатком известных способов стабилизации технологических остаточных напряжений в деталях, является их невысокая эксплуатационная надёжность, обусловленная высоким уровнем начальных технологических остаточных напряжений, как после механической обработки, литья, штамповки, так и после стабилизации их различными способами. Наибольшее значение начальных технологических остаточных напряжений, при котором сохраняются размеры детали, например, цилиндровой втулки в процессе вибрационной обработки [57], составляет 0,35 тд =78,5МН/м2, где тв =210М#/лг2 - временное сопротивление чугуна при растяжении. Вибрационная, обработка отливок цилиндровых втулок должна производится при режиме вибрационного старения, когда возникающие в них дополнительные напряжения- растяжения. [57] составляют 0,15схд, т.е. 31,5МН/м2. Использовать режимы, создающие вибрационные напряжения больше Ъ\,5МНIм2, опасно, так как возможно разрушение отливок. Следовательно, в известных методах не обеспечивается полная стабилизация начальных технологических остаточных напряжений. Для повышения эксплуатационной надёжности в предлагаемом технологическом методе вибрационное старение осуществляют ультразвуковыми колебаниями на устойчивой резонансной частоте в 19-21 кГц с амплитудой колебаний в 50-80 мкм путём увеличения мощности потребителя до 3-3,5 кВт и времени обработки конструкций до 10-12 мин по патенту РФ №2133282.
Разумеется, выбор ультразвукового метода технологического ППД таких деталей, как прецизионные можно ускорить при практической реализации быстрого и относительно точного способа определения величины и установления характера распределения начальных технологических остаточных напряжений. Таким способом, позволяющим провести определение высоких градиентов начальных технологических остаточных напряжений на поверхности детали сложной конфигурации, является метод измерения магнитоупругости материала, теоретическое обоснование которого базируется на анализе взаимодействия переменного магнитного поля с контролируемой деталью. Изменение магнитных характеристик на поверхности последней от величины начальных технологических остаточных напряжений вызывает изменение сигнала измерительных обмоток датчика. Процесс намагничивания, и перемагничивания ферромагнитного материала (стали, чугуна и др.) сопровождается гистерезисными явлениями (рис. 3.1), обусловленными тем, что на циклическую пластическую деформацию конструкции затрачивается определенная энергия с образованием петли гистерезиса.
Определение напряжений в прецизионной детали от действия статических нагрузок
Согласно ГОСТ27.002-89 «Надёжность в технике» надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определённые сочетания этих свойств. В1 этой связи установлено, что влияние упрочняющих обработок должно рассматриваться при комплексном учёте взаимовлияющих факторов: коэффициентов динамичности нагрузки, остаточных напряжений, механических свойств материала, способов упрочняющей обработки и режимов нагружения.
Влияние технологических упрочняющих обработок на эксплуатационную надёжность по критерию «ограниченная выносливость» по ГОСТ 25.504-82 «Расчёт и испытания на прочность» оценивается коэффициентом влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости, который представляет собой отношение предела выносливости 7_и1УПР упрочненных прецизионных деталей к пределу выносливости ст_1Д неупрочненных прецизионных деталей при одинаковых режимах нагружения (N = Ю6 циклов), т.е. v _ а-\цупР л.г — .
Для исследования параметров дефектного слоя после технологического поверхностного пластического деформирования согласно ГОСТ 25.504-82 использовались образцы из стали Х18Н9Т с диаметром рабочей части 7-10" м (рис.3.2), изготовленные из штатных прецизионных деталей (золотников и поршней регулятора скорости). Технологическая методика получения обезуглероженного елОЯ в.образцах включала термообработку, применяемую в процессе изготовления прецизионных деталей. Образцы подвергались объемной калке при температуре 850±10С, времени выдержки 2ч; нагревались в окислительной среде и« охлаждались в индустриальном масле с ПАВ. Далее образцы подвергались высокому отпуску при температуре 600±20С и выдержке не менее Зч, охлаждались после отпуска в индустриальном масле с ПАВ. Определение толщины обезуглероженного слоя проводилось методом измерения микротвердость на микрошлифах, выполненных под углом 90 к поверхности. Микроструктура образцов выявлялась химическим травлением в 5%-м спиртовом растворе азотной кислоты, а микротвёрдость измеряли на примере ПТМ-3 при нагрузке на алмазную пирамидку в 5-Ю"2 кг и увеличении в 460 раз. Делали 30 замеров вглубь поверхности, образцов в 6 рядах и 11 контрольных замеров на глубину 2,5-10"4 м. Для определения глубины обезуглероженного слоя проводили измерения микротвердости через 5-Ю"4 м. Микротвёрдость обезуглероженного слоя несколько, ниже, чем в нижележащих слоях: микротвёрдость в основе Н=39,6 - 44,7МПа, в обезуглероженном слое Н=39,7 - 41,2МПа при глубине обезуглероженного слоя 1-10 4-1,5-10"4 м. 2 515$7891 2 34 Їб7в9і06 2 3 4 56
Исследования сопротивления усталости металла образцов согласно ГОСТ 25.504-82 включали обследования образцов в симметричном и асимметричном циклах нагружения с обезуглероженным слоем без последующей обработки и с последующей ультразвуковой обработкой по технологии и режимам упрочнения прецизионных деталей регуляторов скорости. Во всех случаях упрочненные и неупрочненные образцы испытывали по ГОСТ 25.504-82 при знакопеременном изгибе в одной плоскости. 61, Wa Рис. 4.10. Сопротивление усталости гладких образцов из стали ХІ8Н9Т 1 - симметричный цикл, 2 - ассиметричный цикл, 3 - кривая усталости, полученная на образцах с обезуглероженным слоем, 4 - кривая усталости, полученная на образцах с обезуглероженным слоем и упрочнением УЗО И ПАВ Результаты экспериментальных исследований сопротивления усталости гладких образцов представлены на рис.4.10. Предел ограниченной выносливости образцов при симметричном цикле нагружения и базе испытаний 106 106 циклов т_1Д = 450МПа, в асимметричном цикле т_1Д = 430МПа. Предел ограниченной выносливости образцов с обезуглероженным слоем-сг_, =420МПа. Применение упрочняющей обработки повышает предел выносливости до сг_ІЛУПР = 535МПа.
Таким образом, получены данные по сопротивлению материалов образцов в исходном состоянии, с учётом формирования обезуглероженного слоя и упрочняющей обработки последнего. Результаты испытаний на- усталость свидетельствуют также о том, что применение технологические упрочняющие обработки-ПАВ и У ЗО позволяет повысить эксплуатационную надёжность по критерию коэффициента влияния поверхностного упрочнения до 535 Kv = = 1,244, а это, в свою очередь, дает основание рекомендовать предлагаемую малоотходную технологию для применения при изготовлении. прецизионных деталей, как имеющую существенные преимущества перед используемой в настоящее время. Согласно ГОСТ 25.504-82 указанный критерий, составляет 1,10- 1,30.
1 В разработанном экспериментальном способе измерения начальных технологических остаточных напряжения путём учёта динамики нагружения от ультразвуковой обработки прецизионных деталей доказано, что эксплуатационная надёжность последних существенно, зависит от- технологических остаточных напряжений, которые при. сложении с рабочими, напряжениями должны учитываться при определении1 предела выносливости» материала конструкции.
2 Статическое тензометрирование прецизионных деталей (поршня и-золотника регулятора скорости) от действия рабочих нагрузок подтвердило высокий уровень квазистатических напряжений на наружных поверхностях. Сравнительный анализ напряженного состояния показал, что разница между расчётными и экспериментальными напряжениями не превышает 15%, что указывает на соответствие расчётной методики МКЭ и экспериментальных методик определения напряжений.
3 Как показали исследования, минимальная толщина масляного слоя смазки в сопряжениях «прецизионная деталь (золотник) - направляющая втулка» и «прецизионная деталь (поршень) - направляющая втулка» составляет 3,15мкм, что выше допустимого значения 2,9 мкм (согласно статическим данным аналогов зарубежных дизелей) и подтверждает эксплуатационную надёжность по критерию «минимальная толщина масляного слоя».
4 Результаты испытаний материалов образцов на усталость до и после технологического поверхностного пластического деформирования свидетельствует о том, что технологические упрочняющие обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надёжность по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до Ку =1,244, который лежит в пределах ГОСТ25.504-82 - 1,10-1,30.
