Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований . 8
1.1 Анализ физико-технологических закономерностей влияния упрочняющей обработки методами ППД на повышение эксплуатационных свойств деталей 8
1.2. Обзор подходов к проектированию операций упрочняющей обработки методами ППД 22
1.3 Анализ методов оценки повышения эксплуатационных свойств деталей, упрочнённых методами ППД 28
1.4. Цель и задачи исследований 37
2. Технологические принципы разработки операций упрочнения на основе формирования рациональной структуры 39
2.1. Формализация проектирования технологических систем упрочнения деталей динамическими методами ППД
2.2. Определение участков поверхности детали, требующих упрочнения ППД 51
2.3. Формирование рациональной структуры операции упрочнения ППД 64
2.4. Типизация технологических операций упрочнения динамическими методами ППД 74
3. Разработка расчётно-аналитической модели оценки усталостной прочности деталей, упрочнённых ППД . 80
3.1. Влияние различных факторов на усталостную прочность 80
3.2. Модель комплексной оценки влияния физико-механических характеристик качества упрочненного динамическими методами ППД поверхностного слоя на усталостную прочность 88
3.3. Разработка обобщённых моделей расчета физико-механических характеристик поверхностного слоя формируемого динамическими методами ППД 95
4. Экспериментальные исследования влияния методов ППД на усталостную прочность деталей 129
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 129
4.2. Методика проведения расчётно-аналитических исследований 145
4.3. Результаты экспериментальных и расчётно-аналитических исследований влияния методов ППД на усталостную прочность деталей 149
5. Методика проектирования технологии упрочнения ППД и практическое применение результатов исследований 163
5.1. Методика проектирования технологической операции упрочняющей обработки динамическими методами ППД с учетом эксплуатационных свойств деталей 163
5.2. Проектирование технологической операции упрочняющей обработки динамическими методами ППД детали типа шлиц- шарнира 168
Общие выводы и рекомендации 191
Литература 194
Приложение 1 201
- Обзор подходов к проектированию операций упрочняющей обработки методами ППД
- Определение участков поверхности детали, требующих упрочнения ППД
- Модель комплексной оценки влияния физико-механических характеристик качества упрочненного динамическими методами ППД поверхностного слоя на усталостную прочность
- Методика проведения расчётно-аналитических исследований
Введение к работе
Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение надёжности и долговечности элементов машин по критериям прочности при одновременном снижении их металлоёмкости. Увеличение мощностей, скоростей, грузоподъёмности, производительности и других технологических параметров машин и связанный с этим рост локальных напряжений в деталях приводит к тому, что указанную проблему можно решить 2 путями: оптимизацией конструкции деталей и машиностроительных материалов и, управлением технологическими параметрами состояния поверхностного слоя (ПС) деталей. Причём, резервы повышения несущей способности деталей технологическими способами значительнее, чем использование резервов в сфере конструирования и эксплуатации [62].
В настоящее время, широкое применение в области повышения эксплуатационных свойств деталей получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД), которые позволяют при сравнительно низких производственных затратах в несколько раз повысить сопротивление усталости, контактной жёсткости, износостойкости и увеличить тем самым ресурс работы машин. Эффект упрочнения главным образом обусловлен увеличением несущей способности поверхностного слоя за счёт формирования в нём благоприятных остаточных напряжений, увеличения микротвёрдости, глубины наклёпа.
Для получения указанных физико-механических характеристик качества ПС существуют различные методы ППД, которые по виду обрабатывающей среды делятся на методы упрочнения твёрдыми телами и высокоэнергетическими концентрированными потоками энергии. Объектом рассмотрения в данной работе являлись динамические методы ППД твёрдыми телами с полужесткой связью и свободно движущимися частицами рабочей среды. Общим для этих методов ППД является единый механизм формирования поверхностного слоя, при этом функции упрочняемого
5 инструмента одни и те же, различие заключается лишь в типе, форме и гранулометрических характеристиках деформирующих тел, а также их рабочей части. Простота этих методов даёт возможность использовать ППД на всех машиностроительных предприятиях, в том числе и ремонтных мастерских. Динамические методы ППД твёрдыми телами широко применяют для обработки деталей различной конфигурации, изготовленных из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов, причём эти детали могут иметь размеры от нескольких миллиметров (золотники, кольца, плунжеры) до нескольких метров (лопасти гребных винтов, лонжероны аэровоздушных судов и др.).
Основной целью упрочняющей обработки динамическими методами ППД является повышение эксплуатационных свойств упрочняемых деталей, в частности усталостной прочности. Согласно ГОСТ 25.502-79 под усталостной прочностью понимается процесс постепенного накопления повреждений металла под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. В качестве критерия оценки усталостной прочности в работе основное внимание было уделено определению предела усталости упрочненных деталей, определяемого величиной максимального напряжения цикла, при котором деталь работает не разрушаясь, в течение задавшого (базового) числа циклов.
В настоящее время проведено огромное число научных исследований и промышленных разработок в области упрочнения деталей динамическими методами ППД твёрдыми телами с целью повышения усталостной прочности. При этом созданы научные основы и предложены методики проектирования операций упрочнения, которые применительны к конкретным динамическим методам ППД. Для оценки влияния того или иного метода ППД на повышение усталостной прочности, применяются кривые усталости, опытные номограммы, эмпирические или аналитические зависимости, разработанные для конкретных условий на основе экспериментальных и натурных испытаний. Однако, отсутствие обобщенной методики, позволяющей с учетом технологических возможностей и технико-экономических показателей процесса обосновать наиболее рациональный вариант упрочняющей обработки деталей методами ППД, сдерживает их широкое применение в технологии изготовления деталей машин.
Проведенный анализ и накопленный к настоящему времени материал по применению методов ППД для упрочнения деталей позволил разработать обобщенную теорию проектирования операций упрочнения динамическими методами ППД с учетом эксплуатационных свойств деталей, в частности усталостной прочности, которая легла в основу технологической подготовки производства при разработке операций упрочнения с широким использованием, для достижения этой цели, ЭВМ.
Опираясь на результаты фундаментальных исследований в области упрочнения ППД и САПР ТП таких известных учёных как И.В.Кудрявцева, М.А.Балтера, М.М.Серенсена, В.В.Петросова, Б.П.Рыковского, М.С. Дрозда, В.П.Когаева, Ю.Р. Копылова, А.П. Бабичева, М.Е.Попова, В.Н.Подураева и др. ученых, основное внимание в работе было уделено: -разработке функциональной модели технологической системы упрочняющей обработки динамическими методами ППД и алгоритм её проектирования с целью получения рациональной операции упрочнения; -разработке на основе пакета прикладных программ с учетом реальных условий эксплуатации деталей метода оценки ресурса работоспособности поверхностного слоя; -формулировке технологических принципов классификации и типизации рациональных операций ППД; -разработке расчетно-аналитической модели оценки повышения усталостной прочности детали при обработке динамическими методами ППД; -обобщению и уточнению зависимостей физико-механических характеристик поверхностного слоя от технологических режимов ППД динамическими методами;
7 -разработке методики проектирования рациональной операции упрочняющей обработки динамическими методами ППД с учётом эксплуатационных свойств детали.
Решение этих задач позволит научно-обосновано подойти к разработке методологических основ, обеспечивающих на стадии технологической подготовки производства, проектирование рациональных операций упрочнения динамическими методами ППД и оценки их эффективности на повышение усталостной прочности деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.
Обзор подходов к проектированию операций упрочняющей обработки методами ППД
Операции упрочнения методами ППД, как было показано в п. 1.1 занимают особое место в обеспечении эксплуатационных свойств деталей. Возможность получить требуемые характеристики качества ПС, а, следовательно, и эксплуатационные свойства деталей с целью повышения надёжности и долговечности деталей машин при низкой себестоимости их изготовления, ставит перед технологом задачу проектирования наиболее рациональной структуры операции упрочнения на этапах технологической подготовки производства.
Проектированию операций упрочнения посвящен ряд работ, в которых сформулированы основные принципы построения технологических процессов упрочняющей обработки с помощью теории множеств, вероятностными методами, а также изложены принципиальные подходы к автоматизации проектирования операций упрочнения методами поверхностно-пластического деформирования (ОУ ППД).
Так, в работе [56], проектирование ОУ ППД основывается на установлении соответствия между множеством оптимизирующих условий (технологических или эксплуатационных) k = {kx,k2,...,kj,...,kn} и методами ППД, представленные множеством А:
При этом, каждый метод задан набором технологических параметров х,,х2,...,х„, описываемых множеством С:
Выбор наиболее рациональной операции упрочнения решается в 2 этапа: - путём установления соответствия между множеством оптимизирующих условий к и элементами множества А и - выбора элемента множества А, который в наибольшей степени удовлетворял бы множеству оптимизирующих условий к.
Результаты по выявленным соответствиям представляют в виде таблиц соответствий (рис. 1.5), отображающих графики соответствий, каждый из которых представляет собой отображение на множестве А подмножество элементов АК(.
Отыскание элемента множества А, а следовательно, и способа упрочнения, который бы одновременно удовлетворял всем или большинству оптимизирующим условиям Кь осуществляется путём пересечения подмножеств Ак :
Выбор наиболее рационального решения по таблицам соответствий является довольно сложным процессам, поскольку простой перебор всех вариантов требует больших затрат времени. Целесообразно эту задачу решать с применением ЭВМ, с разработкой алгоритма таблицы соответствий.
Другой подход в области проектирования ОУ ППД представлен в работе Аверченкова [1], в которой предпринята попытка систематизировать всю имеющуюся информацию о применяемых моделях обеспечения эксплуатационных свойств с применением автоматизации проектно-конструкторских работ на примере обеспечения износостойкости деталей машин. Ядро этой системы состоит из 3 подсистем: «эксплуатация», «конструирование», «технология». Каждая из этих подсистем имеет свой «банк данных». Первоначально задаётся массив условий эксплуатации, по которому определяются показатели износостойкости - скорость износа, давление, вид смазки и др., вводя массив сочетаний материалов, их физико-механические характеристики, а также модели процесса износа и связи износостойкости с характеристиками качества ПС производится выбор диапазонов этих характеристик. В блоке «технология» производится выбор маршрута обработки. Оптимальный метод упрочнения выбирается путём параметрической и структурной оптимизаций, целевой функцией которых является себестоимость обработки.
Метод построения структуры ОУ ППД, основанный на типизации локальных типовых участков упрочнения (отверстия, галтели, пазы и т.д.) представленный в работе [56], даёт своей целью определение возможных способов упрочнения по каждой типовой поверхности и реализации выбранного метода ППД для создания требуемых характеристик качества ПС. Варианты таких решений представляются в виде иерархической диафаммы идей (рис. 1.6), которая позволяет наглядно проанализировать варианты решения и выбора оптимального. Однако, несмотря на свою простоту с методической точки зрения, при наличии значительного количества методов ППД, выбор их представляет довольно сложную, с практической точки зрения, задачу.
Поэтому в работе [56] предложено два пути решения: 1 .Составление систематизированных таблиц технологических возможностей способов упрочнения;
Создание «банка» способов упрочнения с использованием ЭВМ. Систематизированные таблицы используют для определения способа упрочнения, наиболее близко стоящего по своим параметрам к характеристикам эталонного способа упрочнения. Эти таблицы разбивают на листы, каждый из которых содержит способы упрочнения. Исходя из конкретных требований к рассматриваемому объекту, с учетом условий эксплуатации выбирается соответствующий лист, в котором приведён перечень рекомендуемых методов ППД для упрочнения типовых поверхностей (местное упрочнение) или типовых деталей (общее упрочнение).
Определение участков поверхности детали, требующих упрочнения ППД
Упрочняющей обработке методами ППД могут подвергаться детали разнообразных форм и размеров, изготовленные из различных материалов. В зависимости от характера и условий эксплуатации, детали условно можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют детали, работающие при длительных статических или повторно-статических нагрузках (балки, болты, оси и т.д.). Отказы деталей этой группы связаны с перенаклёпом или пластической деформацией, коррозией или разрушением. Во вторую группу входят детали, работающие при динамических циклических нагрузках (зубчатые колёса, рычаги, коленчатые валы, оси, болты). Их повреждения обусловлены, главным образом, усталостным разрушениям. Третью группу составляют детали, работающие в условиях изнашивания при сравнительно небольших нагрузках (цилиндры, плунжеры, диски), отказы, в работе которых, вызваны трещинами, коррозией, повышенным износом.
Однако, несмотря на различие конструктивных особенностей деталей, обобщающим фактором является то, что разрушение детали при любых условиях эксплуатации начинается с поверхности, которая содержит целую совокупность концентраторов напряжений. Концентрация напряжений на поверхности является следствием, в первую очередь, резкого изменения очертания и размеров детали, а во-вторую-предшествующей механической или термической обработки.
В процессе их эксплуатации, интенсивному нагружению и, как следствие, разрушению подвергается не вся поверхность, а лишь отдельные её участки. Задача заключается в том, чтобы выявить эти участки, подвергнуть их, в ходе изготовления, упрочняющей обработке ППД и, таким образом, обеспечить повышение ресурса детали. Обоснование выбора участков поверхностей, требующих упрочнения вытекает из условий, что их форма, геометрические размеры и расположение в целом влияют на выбор метода ППД и структуру операции, т.к. их анализ даст технологу несколько вариантов схем упрочнения, один из которых будет рациональный по техническим и экономическим показателям.
Выбор участков поверхности детали, требующих упрочнения должен начинаться с выявления наиболее опасных, с точки зрения долговечности, зон деталей. Для этого, из исследований и анализа эксплуатации детали, определяются граничные условия: точка приложения, направление, величина, характер и площадь воздействия внешних нагрузок, их цикличности, а также напряжений, действующих на деталь в целом.
Анализ действующих нагрузок проводится на основе схемы нагружения звеньев узлов, агрегатов и т.п., в состав которых входит данная деталь.
Исследования воздействия внешних напряжений проводится либо с применением физического эксперимента [10, 71], путём записи на осциллографе или ЭВМ эксплуатационных нагрузок методом электротензометрирования, либо методами схематизации процессов нагружения, основанные на учёте экстремумов исходного процесса нагружения [28]: методы максимума, полных циклов, метод «дождя».
На основании этих данных, исследуется напряжённое состояние детали с целью выявления зон детали, где действуют растягивающие напряжения, особенно опасные с точки зрения усталостной прочности. Знание напряжённого состояния детали и мест наибольшей концентрации напряжений позволит технологу определить поверхности, которые необходимо упрочнить с целью повышения усталостной прочности детали и назначить необходимую для этих мест интенсивность упрочнения.
В настоящее время существует достаточно большое количество методов и средств анализа и измерения напряжённо-деформированного состояния деталей, к основному числу которых относятся методы научного прогнозирования на основе усталостных испытаний и методы экспертных оценок. Из методов научного прогнозирования наибольшее распространение получили методы проволочной тензометрии и фотоупругости (поляризационно - оптический метод), применение которых в исследовании внутренних напряжений описано в работе [9] и в справочной литературе [71,72].
Эти методы обеспечивают достаточно высокую точность определения концентрации напряжений в образцах и натурных деталях (ошибка составляет не более 5%), по результатам которых затем рассчитывается эксплуатационный ресурс деталей. Однако, эти методы требуют больших затрат средств и времени, связанных с подготовкой к эксперименту, натурного моделирования эксплуатационных нагрузок и обработки результатов исследований. Методы экспертных оценок [71], к числу которых относятся дельфийский, экстраполяционный, аналоговый и др. требуют одновременного привлечения нескольких высококвалифицированных специалистов.
Модель комплексной оценки влияния физико-механических характеристик качества упрочненного динамическими методами ППД поверхностного слоя на усталостную прочность
В настоящее время теоретически и экспериментально установлено, что методы ППД позволяют эффективно влиять на повышение усталостной прочности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок. Как отмечалось ранее, основными причинами увеличения усталостной прочности деталей после ППД являются повышение механических свойств металла в поверхностном слое, глубины наклёпа, величины сжимающих остаточных напряжений и глубины их залегания. Для того чтобы объяснить и количественно оценить эффект упрочнения определяемый коэффициентом kv как отношение пределов усталости упрочнённых ai"f и исходных деталей сг" воспользуемся методикой [27] основанной на анализе расположения эпюр изменения по сечению механических свойств, остаточных и рабочих напряжений. На рис.3.1 представлена графо-расчётная схема, раскрывающая эффект упрочнения вследствие обкатки гладких образцов 010,5 мм из стали 45. На этом рисунке, эпюра 1 характеризует распределение пределов усталости по поперечному сечению, построенная по кривым распределения микротвёрдости в предположении, что а«сх — Иисх , т.е. предел усталости повышается пропорционально приросту микротвёрдости к. Эпюра 2 показывает распределение остаточных напряжений в поверхностном слое, установленных экспериментально или по аналитическим зависимостям. Для того, чтобы учесть влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости, необходимо абсциссы значений прироста микротвёрдости км по эпюре 1 умножить на отношение i- = ka, определяемое по диаграммам предельных амплитуд (рис.24) или по формулам [7,71]: -для хрупких материалов: -для пластичных материалов: где ав — предел прочности. В результате таких вычислений построена эпюра 3, характеризующая распределение пределов усталости микрообразцов, вырезанных из разных зон по сечению детали, с учётом влияния остаточных напряжений и упрочнения от наклёпа. В поверхностном слое, в котором распределены остаточные напряжения и наклёп, эпюра 3 находится правее эпюры 1, при этом происходит прирост предела усталости + Асг_, на величину какм. Там, где действуют растягивающие напряжения, и отсутствует наклёп, предел усталости снижается до исходного (неупрочненного) значения. При изгибе гладких образцов предельная эпюра распределения рабочих напряжений представлена эпюрой 4, которая является касательной к эпюре 3, т.к. разрушение от усталости начинается тогда, когда рабочие напряжения достигнут предела усталости в какой- либо точке поперечного сечения. Рабочее напряжение на поверхности по эпюре 4, отнесённое к пределу усталости неупрочненного образца (шкала ст/ст!"), определяет эффект упрочнения, характеризуемое расчётным коэффициентом к%. Исходя из предложенной схемы запишем уравнение эпюры предельных рабочих напряжений проходящей через две точки A(x/j /), Щх2,у2) в виде
Методика проведения расчётно-аналитических исследований
Для подтверждения расчётно-аналитической модели проводился сравнительный анализ экспериментальных данных образцов, упрочнённых методами ППД, взятых из литературных источников [11,17,21,22,65] которые обрабатывались с помощью разработанной программы расчёта коэффициента упрочнения при помощи ЭВМ. Блок схема этой программы представлена на рис.4.9. Программа работает следующим образом: 1. в оператор 1 вводятся исходные данные для расчёта: исходное значение предела усталости а_1; предел прочности материала при растяжении ан, расстояние от оси образца до поверхностного слоя —S, эпюры распределение остаточных напряжений rmm(S) и микротвёрдости H(S) по глубине образца; 2. оператор 2 осуществляет аппроксимацию эпюр распределения остаточных напряжений и микротвёрдости (если их распределение заданно экспериментальными значениями) сплайновыми функциями fcr(S), fH(S) заменяющие исходные эпюры отрезками кубических полиномов; 3. с помощью оператора 3 производится вычисление функции предельных амплитуд K(S) по зависимости: K{S) = 1_Mil 4. оператор 4 вычисляет произведение ординат функций fH(S) и K(S): 6. в операторе 5 осуществляется присвоение начальных значений предела усталости неупрочнённого т_,=а и упрочнённого j_Iynp=al образца, а также расстояние от оси образца до поверхностного слоя S; оператор 6 вычисляет ординаты линии рабочих напряжений по формуле: R(S,al) = al-(l-j) 7. с помощью оператора 6 проверяется разность между кривыми распределения пределов усталости P(S) и линией рабочих напряжений R(S,al) на поверхности. Если эта разность больше заданной точности TOL (оператор 7), то функция R(S,al) будет приближаться к функции P(S) с шагом al+O.I (оператор 11) по глубине упрочнённого слоя с шагом SI/I0 (операторы 8,9). Если точность не достигается (оператор 10), то цикл программы будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность; 8. после этого в операторе 12 производится переприсвоение переменной al и выдаётся результат расчётного предела усталости после упрочнения ППД а (оператор 13); 9. в операторе 14 производится вычисление коэффициента упрочнения kv по формуле: kv =alal 10. Оператор 15 выдаёт значение графо-расчётного коэффициента упрочнения ку. После этого проводилась сравнительная оценка графо-расчётной модели с экспериментальными значениями. Реализация этой программы проводилась в математическом редакторе MathCAD 7.0 Professional. Погрешность графо-расчётного коэффициента по сравнению с экспериментальным оценивалась как
