Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования. 7
1.1 Технологический процесс изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес 7
1.2 Цементация зубчатых колес 14
1.3 Влияние шероховатости поверхности после механической обработки цементируемых деталей на характеристики усталости 22
1.4 Цель и задачи исследования 27
2. Разработка методики исследования влияния шероховатости пе реходных поверхностей зубьев цементируемых колес на их изгибную выносливость 28
2.1 Моделирование напряженного состояния в опасном сечении зуба на круглых образцах с выточкой 29
2.2 Определение градиента первого главного напряжения в корне зуба колеса. 33
2.3 Конструкция круглых образцов и экспериментальных зубчатых колес 37
2.4 Определение необходимого количества образцов и зубьев для испытаний 41
2.5 Технология изготовления круглых образцов и экспериментальных зубчатых колес 43
2.6 Экспериментальные установки для испытаний на изгибную выносливость круглых образцов 49
2.7 Экспериментальная установка для изгибных усталостных испытаний зубьев зубчатых колес 52
2.8 Построение кривой усталости 56
2.9 Статистическое определение предела выносливости методом «лестницы». База испытаний 58
2.10 Статистическая обработка результатов усталостных испытаний... 61
2.11 Выводы. 64
3. Исследование влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев цементируемых колес на их изгибную выносливость 65
3.1 Результаты сравнительных испытаний цементированных образцов диаметра 10 и 20 мм на изгибную выносливость при симметричном цикле. 65
3.2 Результаты сравнительных испытаний цементированных зубьев экспериментальных колес на изгибную выносливость при пульсирующем цикле , 79
3.3 Влияние шероховатости поверхности цементированных образцов и зубьев экспериментальных зубчатых колес на изгибную выносливость 85
3.4 Выводы 93
4. Шероховатость переходных поверхностей и впадин зубьев колес после зубофрезерования 95
4.1 Факторы, влияющие на шероховатость поверхности зубьев при зубофрезеровании 96
4.2. Точность и степень достоверности измерений неровностей поверхности . 98
4.3 Количественная оценка шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колеса модуля 10 мм... 100
4.4 Выводы 103
5 Рекомендации по изменению норм шероховатости переходных поверхностей и впадин цементируемых колес редуктора 104
6. Расчет экономической эффективности от устранения операции полирования переходных поверхностей и впадин зубьев цементируемых колес редуктора 106
Выводы по работе , 109
Список использованных источников
- Влияние шероховатости поверхности после механической обработки цементируемых деталей на характеристики усталости
- Конструкция круглых образцов и экспериментальных зубчатых колес
- Результаты сравнительных испытаний цементированных зубьев экспериментальных колес на изгибную выносливость при пульсирующем цикле
- Точность и степень достоверности измерений неровностей поверхности
Влияние шероховатости поверхности после механической обработки цементируемых деталей на характеристики усталости
Как видно, при твердости сердцевины более HRC 43 усталостная прочность,цементированных шестерен-: снижается. И в работе [3] получено, что твердость материала сердцевины HRC 30...50 не влияет на предел выносливости: зубьев цементированных зубчатых колес модуля 4 мм. {О СЩ 6 Q Ophfr З - поверхностная закалка;: 4: цементация; 5 - азотирование Рис.Л .8: Изменение остаточных напряжений по радиусу образцов
Положительный эффект от цементации возникает также за счет создания остаточных напряжений сжатия в поверхностном- слое (примерно -100:..-220 МПа:[45; 56]; а в работе [112]:— рис. 1.8). Так по данным [ 100] установлено, что цементация, создав: значительные остаточные напряжения; сжатия позволила повысить усталостную прочность образцов из стали 18ХНВА на 90:..95%. В [55];цементация на глубину 0,2...0,6 мм дает увеличение предела выносливости образцов диаметром 7...40 мм по сравнению с неуп-рочненными в 2,5 ..2,0 раза; В работе [45] получено, что при симметричном изгибе для надрезанных образцов цементация увеличивает предел усталости:на 104%. Остаточные напряжения сжатия переводят симметричный цикл напряжений, являющийся- самым опасным, в асимметричный;..ликвидируя при этом концентрацию напряжений от геометрической формы и поверхностных дефектов и увеличивая запас усталостной прочности изделий. В тоже время.в сердцевине действуют остаточные напряжения растяжения. Поэтому усталостная; трещина в деталях, подвергнутых упрочнению, может зарождаться как на поверхности, так и в области растягивающих напряжений расположенных на некоторой глубине от.поверхности [104]. Тем не менее, в работе [76] автором экспериментально подтверждено, что при симметричном цикле растяжения — сжатия все виды-. химико-термического упрочнения загоняют очаг возникновения\ усталостной трещины под упрочненный слой. В частности, у цементированных образцов наблюдалось, что начало усталостного разрушения разбросано по всей сердцевине; На основании испытаний;на переменные напряжения цементированных и азотированных образцов, проведенных Конторовичем- высказывается мнение о преимущественном влиянии сжимающих остаточных напряжений І на повышение сопротивления \ усталости. Это s мнение основывается на предположении о перенесении очага возникновения усталостной трещины с поверхности в подслойную область.
В работе [45], испытания, проведенные на прямоугольных плоских гладких образцах из стали 18Х2Н4А показывают,.что при относительной толщине слоя 0,16.. .0,08 для образцов толщиною 15.. .30 мм очаг возникновения усталостной; трещины зависит от коэффициента асимметрии цикла. При симметричном цикле он находится под слоем, при асимметричных - на поверхности. В [3] под-слойные очаги трещин, которые наблюдались на поломанных образцах без надреза практически не встречаются: на поверхностях излома зубьев зубчатых колес. Также и в работе [91] установлено, что у зубьев, изготовленных из стали 2 ОХ, начальная трещина возникала на поверхности: выкружки; и распространялась по цементированному слою торцов зубьев. Вязкая сердцевина зуба блокировала развитие усталостной трещины и разрушение сердцевины зуба определяло собой момент поломки зуба. По-видимому, до сих пор не выясненным остается вопрос об очаге зарождения усталостной трещины. Если она зарождается на поверхности, то концентраторы напряжений от шероховатости поверхности и от геометрической формы оказывают влияние на усталостную прочность изделий. Либо усталостная трещина зарождается под упрочненным слоем и тогда цементация за счет наведения остаточных напряжений сжатия ликвидирует отрицательное воздействие на выносливость поверхностных дефектов и шероховатости поверхности.
Влияние шероховатости поверхности после механической обработки цсм сити русм ых деталей на характеристи ки усталости
Результаты анализа многочисленных исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, показывают, что продольные риски на переходных поверхностях, образующиеся в, процессе зубонарезания, снижают изгибную выносливость. Однако влияние рисок и других поверхностных дефектов на выносливость проявляется неодинаково и зависит от материала, наличия упрочняющей поверхностной обработки и ее вида.
Для поверхностно-неупрочненных деталей снижение пределов выносливости от шероховатости оценивают коэффициентом влияния качества обработки поверхности, определяемый по формуле (1.2) [55]:
Экспериментальные графики [74, 75] (рис. 1.10) показывают, что при увеличении параметра шероховатости отожженной стали 45 с Rz 3,2 до Rz 15 мкм предел ее выносливости снижается примерно на 30%. В работе [112]!получены:некоторые; результаты детального исследования влияния І шероховатости на характеристики сопротивления усталостному разрушению. Как видно из графиков (рис: 1.11) при изменении глубины неровностей от 0,25 мкм до 2,5 мкм предел выносливости практически не изменяется. Экспериментальные данные, полученные в [58jL показывают, что понижение усталостной; прочности стали при обточенной по-верхности по сравнению с полированной составляет 12% при сгв = 50 кг/мм и; 24% при ав = 110 кг/мм . В книге [110] снижение сопротивления усталости конструкционных сталей в обычных условиях исп ытаний; (изгиб с: вращением образцов диаметром ;.. 10 мм при комнатной температуре и частоте нагружения до 100 Гц) за счет шероховатости поверхности от Rz 6,3 до Rz 0,4 мкм составляет примерно 25...10%. Такие же данные приведены в работе [95]і что при изменении» параметра Ra от 5 до ОД 5 мкм.сопротивление усталости?теплостойких: сталей, титановых и жаропрочных сплавов снижается от 22 до 10% по сравнению с усталостной" прочностью этих материалов с поверхностью, на:которой практически отсутствуют неровности (Ra.. 0,01;мкм).
Конструкция круглых образцов и экспериментальных зубчатых колес
По рекомендации [31] в настоящем исследовании, носящем сравнительный характер, использованы полукруглые выточки. Размеры выточек образцов определены из выражения (2.3) с использованием уравнений (2.4) и (2.5).
Относительные градиенты напряжений в корне зубьев колес модулей 8 и 10 мм, найденные в предыдущем параграфе, равны соответственно G = 0,59 1/мм и G : = 2,76 1/мм. Учитывая длины зубьев, равные 2 = 223 мм для колес с модулем 8 мм и 2 = 280 мм для колес с модулем 10 мм и задаваясь значениями диаметров шеек выточек образцов dD, равными 020 и 010 мм, величины радиусов выточек R, моделирующих напряженное состояние в корне зуба колеса модулей 8 и 10 мм из выражения (2.3) получаем равными соответственно 28 и 18 мм.
Для изучения влияния шероховатости на выносливость цементируемых образцов при разной концентрации напряжений и для изучения влияния масштабного фактора использованы также образцы, имеющие размеры: d = 10 мм, Л = 50 мм и do - 20 мм, й = 90 мм у которых теоретический коэффициент концентрации напряжений равен 1,0. а) - образцы диаметра 10 мм; б) — образцы диаметра 20 мм. Рис. 2,2. Круглые образцы для испытаний на выносливость Диаметр кольцевых выточек выполнен с точностью h9. Другие поверхности образцов спроектированы в зависимости от нагружающих и установочных элементов экспериментальных установок. Технические требования к шероховатости рабочих поверхностей образцов, параметрам цементации и др. представлены на рис. 2.2.
Образцы изготовлены из проката стали 12ХНЗА. Химический состав и механические свойства стали приведены в таблице 2.1.
Для устранения влияния на выносливость разброса механических свойств материала заготовок, на каждом экспериментальном колесе, содержащем два зубчатых венца, представлен весь исследуемый диапазон шероховатости. Требования к точности изготовления колес и твердости поверхности представлены на рис. 2.3.
На изгибную выносливость оказывает влияние высота неровностей поверхности и радиус при вершине надреза [117]. Для исключения влияния радиуса при вершине надреза, выточки образцов и переходные поверхности обрабатывались резцом с радиусом закругления при вершине, равным 0,1 мм.
Многочисленные результаты исследований показывают, что характеристики сопротивления усталости материалов имеют статистическую природу, носят случайный; характер и могут принимать различные значен ия при повторении, испытаний с возможно полным соблюдением их условий. Величина возможной ошибки зависит от объема:испытаний (числа образцов), условий испытаний и методики обработки их результатов. Обоснование необходимого объема испытаний и выбор оптимальных режимов, с целью определения характеристик механических свойств материала с наперед заданной степенью точности и статистической надежности, является основной задачей планирования испытаний. Вопросы планирования механических испытаний и статистической обработки их результатов имеют первостепенное значение.
При определении минимально необходимого объема выборки следует исходить из целей предстоящих испытаний.
В результате испытаний планируется одновременная оценка среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости путем проведения сравнительных усталостных испытаний на консольный изгиб круглых образцов и зубьев с разной шероховатостью рабочих поверхностей. Необходимое количество образцов п в данном случае определяют как наибольшее из двух значений, найденных по следующим формулам: "4"ZV (2,11) (1 + 4 = -, (2.12) Хй,5 где: -коэффициент вариации определяемой характеристики механических свойств; Aa - максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке среднего значения в долях среднего значения определяемой характеристики; z у - квантиль уровня Р = \-а/ нормированной нормально распределенной случайной величины; Р = 1 — зг/ _ статистическая надежность, представляющая собой вероятность непревышения фактической ошибкой при оценке среднего значения характеристики максимальных ошибок по модулю; а - вероятность первого рода; Аа — максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке средне-квадратического отклонения случайной величины при нормальном или логарифмически нормальном законе распределения;
Результаты сравнительных испытаний цементированных зубьев экспериментальных колес на изгибную выносливость при пульсирующем цикле
Найденное значение G сравнивалось с табличным, на уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы f = т — \.
Оценка показала, что на всех уровнях напряжений для исследуемого диапазона шероховатости образцов без концентрации напряжений, дисперсии логарифма долговечности lg N однородны. Однородность ряда средних значений; логарифма долговечности, т.е. незначимость влияния шероховатости на lg N-проверялась с помощью дисперсионного анализа (табл. В. 1.1 - В. 1.6 приложения).
Дисперсионный анализ»основан на предположении о нормальности распределения логарифма долговечности и однородности дисперсий. Однородность средних значений lg N проверялась с помощью критерия Фишера [90]: сравнением дисперсий внутри системы 5, и 52, характеризующей рассеяние по факторам. Для образцов без концентрации напряжений результаты дисперсионного анализа показывают, что на уровне напряжения 620 МПа средние значения lgAT неоднородны на уровне значимости а= 0,05 в диапазоне шероховатости Rz 0,4...132 мкм. На уровнях напряжений 545, 470 МПа в этом же диапазоне шероховатости значения IgiV однородны. Во всем диапазоне исследуемой шероховатости Rz 0,4...252 мкм на уровнях напряжений 545, 470 МПа значения Igi неоднородны на уровне значимости а = 0,05.
При анализе влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев экспериментальных колес модуля, 6 мм на уровнях напряжений 600, 550 и 500 МПа также использован дисперсионный анализ (табл. В.2.1 — В.2.6 приложения). Оценка однородности дисперсий логарифма долговечности, проведенная по критерию Кочрена, показала, что на всех уровнях напряжений дисперсии долговечности с доверительной вероятностью 0,95 можно считать однородными.
Оценка однородности средних значений логарифма долговечности показала, что лишь на уровнях напряжений: 550 и 500 МПа в диапазоне шероховатости Rz 0,4...40 мкм средние значения lg./V однородны. В диапазоне шероховатости Rz 0,4..,252 мкм; на уровнях напряжений 600, 550 и 500 МПа значения \%N не однородны.
1. Построено 15 кривых усталости испытанием круглых образцов диаметра 10 и 20 : мм при симметричном ци кле напряжений и экспериментальных зубчатых колес модуля 6 мм при пульсирующем цикле нагружения.
2. Подтверждено мнение, что с увеличением концентрации напряжений эффект упрочнения повышается.
3. Для упрочненных цементацией образцов из стали 12ХНЗА определен коэффициент влияния абсолютных размеров, равный 0,98 и коэффициент концентрации і напряжений; равный 1,03 .Эти коэффициенты могут использоватся в расчетах зубьев колес на выносливость при изгибе..
4. Анализ изломов образцов и зубьев показал, что фокус излома расположен не на поверхности, как у неупрочненных образцов, а на некоторой глубине цементированного слоя; меньшей глубины упрочнения. Следовательно, следы механической обработки не влияют на возникновение усталостной трещины;
5. Подтверждено, что поломка зуба экспериментальных зубчатых колес начиналась на стороне, в которой: действуют растягивающие напряжения с появлениемт усталостной трещины на переходной поверхности. Развитие трещины происходит по нормали к переходной поверхности зуба.
6. Установлено, что в области ограниченной выносливости влияние шероховатости на характеристики усталости более заметное. С увеличением шеро ховатости ограниченные пределы выносливости уменьшаются, причем в большей степени на меньших базах.
7. Результаты испытаний показывают, что средние значения пределов выносливости незначительно зависят от шероховатости поверхности в диапазоне Rz 3,2... 10 мкм. Дальнейшее увеличение шероховатости поверхности до Rz 252 мкм снижает пределы выносливости при симметричном и пульсирующем циклах на 16...18% для образцов диаметра 10 мм и 19...21% для зубьев экспериментальных колес модуля 6 мм.
8. Нижние значения пределов выносливости, определенные для доверительной вероятности 0,9987, указывают на более заметное снижение по сравнению с зависимостью средних значений с/г от шероховатости. В диапазоне Rz 0,4...40 мкм снижение составляет для образцов 14... 16%, для зубьев — 17... 19%; в диапазоне Rz 0,4...252 мкм —26...28% и 45...47% соответственно.
Точность и степень достоверности измерений неровностей поверхности
Попутно заметам, что излишняя точность измерений приводит к чрезмерному повышению трудоемкости контроля качества продукции, а недостаточная к совершению ошибок первого и второго рода, когда часть годной продукции бракуют или брак частично принимают как годную.
На рабочих местах ограничиваются визуальным контролем шероховатости поверхности по сравнению с образцовыми деталями или образцами шероховатости. При определенном навыке визуально различают поверхности, примерно вдвое отличающиеся друг от друга по высоте неровностей. В данном случае вероятности совершения ошибок первого и второго рода; для. зубчатых колес с требованием шероховатости переходной поверхности Ra 0,63 мкм составит для трех партий, согласно [42] 8 и 5%, если погрешности контроля и контролируемые параметры распределены по нормальному закону, и 8% от общего числа проконтролированных изделий будут ошибочно забракованы, а 5% ошибочно принятыми. Это для дорогостоящих ответственных зубчатых колес недопустимо.
Помимо этого при измерениях шероховатости поверхности, измеряют не единичную высоту или единичный шаг, а некоторые средние или крайние экстремальные их значения или средние отклонения на базовой длине. Это зачастую не отражает реальной картины шероховатой поверхности и может привести к выходу из строя детали, т.к. самым опасным концентратором напряжений является одиночная грубая риска. Интерпретация результатов измеренияv шероховатости дается с. помощью построения доверительного интервала на данном уровне значимости. Полуширина доверительного интервала служит показателем фактической точности результатов измерений, а уровень значимости определяет степень достоверности этих результатов. Если доверительный интервал лежит в поле допуска шероховатости поверхности, то деталь является годной. Если же: интервал частично перекрывает поле допуска, то заключение о- качестве детали можно считать правильным с вероятностью [42]:
Приближение у к приводит к величине достоверности заключения о годности, равное 50%, что также неприемлемо при контроле качества ответственных зубчатых колес, которые должны обладать очень высокой надежностью. Поэтому при контроле зубчатых колес, чтобы признать их годными, положение доверительного интервала должно находиться в пределах допуска на уровне значимости 0,27%, что приводит к ужесточению требований при контроле шероховатости поверхности.
Шероховатость профиля зубьев можно измерить в продольном и поперечном направлениях [44, участке профиля. При измерении шероховатости в поперечном направлении, т.е. по эвольвентой поверхности зуба, можно использовать профилометр-профилограф модели 202 со специальным устройством для измерения криволинейных 73]. В продольном направлении шероховатость измеряется на активном поверхностей. Следует отметить, что это устройство дает возможность контролировать шероховатость зубьев колес модулем 10 мм.
Измерить шероховатость переходных поверхностей и впадин указанными способами не представляется возможным из-за сложности их поверхностей, продольной ориентацией микронеровностей, а также из-за затрудненности доступа к ним.
В настоящем исследовании шероховатость впадин и переходных поверхностей зубьев колес модулем 10 мм измерялась методом слепков с последующим их измерением на оптических приборах.
Шероховатость получена чистовым зубофрезерованием фрезами класса AAA на станке модели КУ-272. Слепки снимали во впадинах зубьев колес, причем в каждой.впадине три слепка по длине зуба. Измерения проводили на двух колесах модуля 10 мм.
Перед снятием слепков поверхность впадин: обезжиривалась ацетоном т осматривалась. Выбирался наиболее характерный с точки зрения выносливости участок, т.е. участок с наибольшей шероховатостью.
В качестве материала слепка использовалась масляногуттаперчевая масса, которая при нагревании до 80...90С становится высокопластичной, что позволяет определять параметр шероховатости Rz в пределах 1,6...40 мкм. Разогретый кусочек массы в форме пластинки толщиною не менее 4 мм прижимал ся к контролируемой поверхности. После отвердевания слепок отделялся. Таким образом с поверхностей впадин зубьев колес было снято 96 слепков.
Высота микронеровностей на слепке измерялась с помощью двойного микроскопа МИС-11. Каждый слепок измерялся дважды. При получении слепков профиль неровностей искажается по высоте и шагу, что учитывалось при определении действительных значений путем умножения значений параметра Rz на поправочные коэффициенты, приведенные в [86].
Статистическая обработка результатов измерений шероховатости проводилась по методике [12].
Результаты измерений шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес модуля 10 мм и их статистическая обработка представлены в приложении Г.
При статистическом анализе шероховатости определялись эмпирические параметры средних значений шероховатости Rz, среднеквадратических отклонений Среднего S- И еДИНИЧНОГО Sfc . 20 10
На основании результатов измерений построен полигон распределения шероховатости переходных поверхностей и впадин колеса модуля 10 мм, который показан на рис
После нахождения статистических характеристик проводился подбор теоретического закона распределения. В качестве критерия оценки согласия теоретического закона распределения эмпирическому использовался критерий х1 Пирсона. Проверка по этому критерию распределений шероховатости впадин и переходных поверхностей показала хорошую сходимость с нормальным.
