Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Анализ статистики отказов деталей из высокопрочных сталей в авиационной технике 8
1.2. Причины отказов деталей из высокопрочных сталей 9
1.3. Методы упрочнения деталей из высокопрочных сталей 11
1.4. Сущность упрочнения деталей методом комбинированного алмазного выглаживания 14
1.4.1. Формирование остаточных напряжений при упрочнении... 15
1.4.2. Теплофизический анализ при пластическом деформировании ...20
1.4.3. Микрогеометрия выглаженной поверхности 25
1.5. Цель и задачи исследований 30
2. Методика проведения исследований 32
2.1. Разработка общей методики теоретических и экспериментальных исследований 32
2.2. Методика проведения испытаний и измерений 33
2.3. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 37
3. Теоретические основы комбинированного упрочнения деталей выглаживанием 43
3.1. Оценка влияния технологических факторов ППД на остаточные напряжения в поверхностном слое 43
3.1.1. Расчет температурных полей при комбинированном алмазном выглаживании 51
3.1.2. Оценка механических свойств поверхностного слоя в процессе комбинированного упрочнения 75
3.1.3. Определение влияния температуры на механические и теплофизические свойства поверхностного слоя 79
3.2. Алгоритмическая модель оценки остаточных напряжений после комбинированного алмазного выглаживания 86
4. Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на состояние поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей из высокопрочных сталей 94
4.1. Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на упрочнение поверхностного слоя 94
4.2. Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на осевые остаточные напряжения в поверхностном слое 107
4.3. Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на шероховатость поверхности 114
4.4. Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на усталостную прочность деталей из стали 30ХГСН2А 123
5. Разработка технологических рекомендаций по повышению долговечности деталей комбинированным выглаживанием 138
Список использованных источников 144
Приложение 155
- Причины отказов деталей из высокопрочных сталей
- Методика обработки результатов экспериментальных исследований
- Алгоритмическая модель оценки остаточных напряжений после комбинированного алмазного выглаживания
- Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на осевые остаточные напряжения в поверхностном слое
Введение к работе
Одной из важнейших задач машиностроения на современном этапе является обеспечение надежности изделий, их конкурентоспособности на мировом рынке, что требует повышения физико-механических свойств конструкционных материалов и совершенствование технологии их обработки.
Эффективность современного производства и уровень качества изделий в значительной мере определяется совершенством процессов механической обработки, методов и инструментов для их реализации /1, 2, 3/. Перспективное движение в этом направлении возможно за счет создания новых методов обработки, а также за счет совершенствования и рационального использования ранее известных.
Среди задач машиностроения особое место занимает проблема повышения безотказности и долговечности деталей современной авиационной техники, изготавливаемых из высокопрочных конструкционных сталей типа 30ХГСН2А, 25Х2ГНТА, 30Х2ГСН2ВМ, ВНС, ВНЛ и др. Высокопрочные стали применяются при изготовлении изделий авиационной техники, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности, для изготовления высоконагруженных и ответственных деталей.
Авиационные конструкции в процессе эксплуатации испытывают высокие статические и динамические знакопеременные нагрузки при взлете, посадке и т.д., а также воздействия высоких температур, агрессивных газовых и жидкостных сред, приводящие к их быстрому разрушению. Элементы этих конструкций должны обладать высокой усталостной прочностью в широком диапазоне нагрузок и температур.
Увеличение прочности высокопрочных материалов приводит к повышению чувствительности к концентраторам напряжений и поверхностным дефектам. Для обеспечения требуемого уровня безотказности и долговеч-
ности, такие детали в процессе изготовления и ремонта подвергаются упрочнению поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Широкое применение для упрочнения деталей из высокопрочных сталей получил метод алмазного выглаживания. Этот метод обеспечивает высокое качество поверхностного слоя при сравнительно небольших затратах на его реализацию.
Высокая эффективность использования методов алмазного выглаживания деталей машин доказана работами Хворостухина Л.А. /4, 5, 6/, Торбило В.М. /7, 8, 9/, Смелянского В.М. /10, 11/, Папшева Д.Д. /12/, Одинцова Л.Г. /13, 14, 15/, Грановского ЭХ. /16, 17/, Волкова В.А. /18/, Чекина Г.И. /19/, В.К. Яценко /20/, Барац Я.И. /21/, Маркуса Л.И. /22/, Чепа П.А. /23/ и других исследователей, а также подтверждается практикой современного машиностроения.
Для повышения эффективности упрочнения деталей авиационной техники из высокопрочных сталей, снижения вероятности их усталостного разрушения в процессе эксплуатации, предложен новый способ реализации процесса выглаживания. Такой способ назван комбинированным алмазным выглаживанием. Он обеспечивает формирование наиболее благоприятных свойств поверхностного слоя деталей для повышение их малоцикловой и многоцикловои усталости. Дает возможность целенаправленного управления распределением физико-механических свойств поверхностного слоя, создания в поверхностном слое благоприятных эпюр распределения остаточных напряжений и микротвердости, а также формирования нового микрорельефа поверхности.
Работа посвящена повышению надежности деталей авиационной техники из высокопрочных сталей комбинированным методом ППД, заключающимся в поверхностном пластическом деформировании цилиндрической
поверхности детали двумя (и более) алмазными инструментами, каждый из
которых имеет свои конструктивные и технологические параметры, s
Разработана методика расчета распределения температуры в поверхностном слое при комбинированном алмазном выглаживании. Выявлены закономерности изменения механических и теплофшических свойств деталей из высокопрочных сталей в зависимости от степени деформации и температуры нагрева поверхностного слоя в процессе комбинированного выглаживания.
Разработаны математические модели оценки эпюры распределения остаточных напряжений и микротвердости в поверхностном слое после комбинированного алмазного выглаживания.
Разработана математическая модель для расчета шероховатости Rz с учетом упрочнения поверхностного слоя.
Выявлены закономерности изменения свойств поверхностного слоя деталей из высокопрочной стали 30ХГСН2А и их усталостной прочности в зависимости от технологических факторов комбинированного выглаживания. Проведена оптимизация технологического процесса упрочняющей обработки деталей авиационной техники.
Разработаны технологические рекомендации по комбинированному выглаживанию деталей из высокопрочных сталей и методика оценки технико-экономического эффекта от их использования. Проведены работы по внедрению разработанного процесса при изготовлении деталей на ОАО НПО "ЭНЕРГОМАИГ.
Причины отказов деталей из высокопрочных сталей
По сравнению со сталью средней прочности высокопрочная сталь имеет ряд особенностей. Ей свойственна высокая чувствительность к концентраторам напряжений, усталостным нагрузкам, действию коррозионных сред и т.п. /3, 26, 27/. Указанные факторы приводят к резкому снижению усталостной прочности этих деталей.
Усталостная прочность - способность деталей машин сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок /ГОСТ 27002-83/. В результате действия нагрузок в поверхностном слое детали накапливаются усталостные повреждения, ведущие к образованию трещин и ее разрушению (усталостное разрушение происходит при нагрузках, значительно меньших предела прочности материала). Механизм усталостного разрушения можно объяснить с позиции теории дислокаций, которая базируется на изменении прочности материала в зависимости от количества дефектов структуры - кривой Одинга.
Высокопрочные стали 30ХГСН2А, 30ХГСНМА, 25Х2ГНТА, 30Х2Н2ВМФА (ВКС-3), 40ХН2СМА (ЭИ 643) и другие предназначаются для изготовления ответственных деталей авиационной техники, как например, деталей шасси, балок и лонжеронов крыла, стабилизатора, полок поясов центроплана, болтов, осей, шпилек и др. /3,27/.
Эти детали работают в условиях высоких статических и динамических знакопеременных нагрузок, приводящих к быстрому накоплению усталостных повреждений, формированию трещин и разрушению. Их повреждения обусловлены, главным образом, усталостными разрушениями, т.е. недостаточной малоцикловой и многоцикловой усталостной прочностью /3, 28, 29, 30/, которая зависит от состояния поверхностного слоя.
Анализ статистических данных отказов (неисправностей) агрегатов и систем летательных аппаратов свидетельствует о том, что одной из наиболее актуальных технологических задач является повышение усталостной прочности деталей силовых конструкций авиационной техники, изготовленных из высокопрочных конструкционных сталей типа 30ХГСН2А (30ХГСНА).
Усталостную прочность детали определяет поверхностный слой, состояние которого в свою очередь в основном определяется следующими параметрами: эпюрами распределения остаточных напряжений и прочностных характеристик поверхностного слоя, микрогеометрией поверхности детали. Целенаправленно управляя этими параметрами можно существенно повысить усталостную прочность.
Для повышения надежности работы деталей из стали высокой прочности, увеличения (в 3-5 раз) долговечности рекомендуется применять упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД), а для деталей, предел прочности материала которых достигает 1800 МПа, поверхностное упрочнение необходимо /27 , 30/.
Высокая эффективность применения методов ППД деталей машин доказана работами Кудрявцева И.В. /31, 32/, Сулимы А.М. /33/, Саверина М.М. /34/, Анисимовой И.В. /35/, Хворостухина Л.А. /36/, Смелянского В.М. /37/, Овсеенко А.Н. /38/, Папшева Д.Д. /39/, Мухина B.C. /40, 41, 42/, Жасимова М.М. /43/, Плешакова В.В. /26, 44, 45, 46/, Кулешина А.В. /47/, Балтер М.А. /48/, Албагачиева А.Ю. /49/, Чернышева Е.И. /50/, Рыковского Б.П. /51/, Кузнецова Н.Д. /52/, Петросова В.В. /53/ и других исследователей, а также подтверждается практикой современного машиностроения в России и за рубежом /54, 55/.
Методы ППД обеспечивают повышение износостойкости деталей в среднем в 1,5... 2 раза, предела выносливости на 40... 100%, контактной прочности на 30...40% /56/.
Методика обработки результатов экспериментальных исследований
Комбинированное выглаживание является сложным многофакторным процессом. Поэтому, при экспериментальном его исследовании, использовались методы многофакторного D-оптимального планирования и регрессионного анализа.
Непрерывная зависимость условного математического ожидания выходной характеристики технологического процесса ПППД Y от ряда факторов X описывалась регрессионными полиномами второго порядка.
Основным требованием к разрабатываемым моделям ПППД является обеспечение наибольшей точности предсказания выходной функции процесса в изучаемой области факторного пространства. В матричном виде диспер сия предсказания выходной функции в точке факторного пространства, определяемая вектором X, может быть выражена следующим образом: где SB2{Y} - дисперсия воспроизводимости; (Xі X) - информационная матрица плана эксперимента (X ).
Таким образом, дисперсия предсказания выходной функции определяется величиной остаточной дисперсии и планом эксперимента. Методы планирования эксперимента и регрессионного анализа должны обеспечить построение моделей процесса, наиболее точно отражающих зависимость выходных характеристик от факторов.
Критерии оптимальности таких планов, предложенные в работах /85, 86/, представляют определенные требования к свойствам информационной матрицы: или дисперсионной матрицы плана:
Различают D-, А-, Е- и G-критерин оптимальности экспериментальных планов /87, 88, 89, 90/. Наиболее разработаны и доведены до практического использования D-оптимальные планы в работах F. Kiefer /90/, В.В. Федорова /87/, К. Копо /91/ и других авторов. К основным его преимуществам следует отнести то, что непрерывные D-оптимальные планы являются одновременно и G-оптимальными /87, 92/, которые как бы дают гарантию, что в области планирования не окажется точек, в которых точность оценки поверхности выходной функции слишком низкая. Поэтому, при моделировании технологического процесса использовались планы, близкие к D-оптимальным.
Получение несмещенных и состоятельных оценок параметров регрессионных моделей достигается обычно при использовании метода наименьших квадратов (МНК). Суть метода МНК сводится к определению параметров модели, обеспечивающих минимум суммы квадратов отклонений экспериментальных значений выходной функции от предсказанных по модели, т.е. минимизации величины
Этот метод является основным методом регрессионного анализа. Однако, такой подход страдает тем недостатком, что погрешность аппроксимации увеличивается при больших значениях выходной характеристики.
При моделировании некоторых характеристик технологических параметров, например, параметров шероховатости поверхности, следует ориентироваться на поиск таких моделей, которые бы позволили проводить предсказание наиболее точно в области их малых значений /85, 93/.
Равномерная точность аппроксимации во всем интервале измерений шероховатости достигалась методом наименьших относительных квадратов (МНОК). Метод обеспечивает минимизацию суммы квадратов отклонений вычисленных значений Yi от экспериментальных Yif отнесенных к Yj, т.е.
МНОК используется в случаях, если выходную функцию необходимо предсказывать наиболее точно в области ее малых значений или же при моделировании выходной функции, с целью нахождения ее минимальных значений.
Полное квадратическое уравнение содержит набор аргументов, относительно которых может быть составлена искомая модель. Чтобы сделать модель полезной для предсказания необходимо включить в нее по возможности больше аргументов, чтобы более точно определять прогнозируемые величины. С другой стороны, в связи с затратами, связанными с получением информации и ее последующей проверкой, модель должна содержать как можно меньше аргументов. Кроме того, увеличение количества аргументов в модели нередко приводит к снижению ее статистических характеристик. Поэтому, в работе использовались методы поиска оптимальной структуры регрессионных полиномиальных моделей.
В настоящее время наибольшее распространение при поиске регрессионных полиномов получил метод исключения аргументов по их значимости. К недостаткам его следует отнести то, что если исходные данные дают почти вырожденную информационную матрицу, то этот метод может привести из-за ошибок округления к результатам, не соответствующим сущности процесса /94/. Кроме того, в этом случае из уравнения могут быть выведены аргументы, достаточно сильно коррелированные с выходной функцией и несущие определенную информацию о ее поведении. Поэтому при моделировании технологических процессов предлагается использовать шаговый метод включения. Сущность метода заключается в том, что в модель последовательно включаются аргументы до тех пор, пока она не станет удовлетворительной. Порядок включения определяется с помощью частного коэффициента корреляции как меры важности переменных, еще не включенных в уравнение. Таким образом, каждый аргумент, последовательно вводимый в модель, переводит из матрицы наблюдений большую информацию по сравнению с информацией переводимой последующим аргументом. Порядок переменных обеспечивает наибыстрейший отбор информации из матрицы эксперимента в модель при расширении с і-го аргумента. Одновременно производится отсев малозначимых параметров.
Алгоритмическая модель оценки остаточных напряжений после комбинированного алмазного выглаживания
В результате теоретического исследования процесса формирования остаточных напряжений в поверхностном слое при комбинированном алмазном выглаживании разработан алгоритм расчета эпюры распределения остаточных напряжений. Укрупненный алгоритм оценки остаточных напряжений после комбинированного выглаживания приведен на рис. 3.12. Рассмотрим подробнее каждый блок. Блок 1. Задание входных параметров модели: Параметры заготовки: Материал; D - диаметр, м. Задание механических и теплофизических характеристик материала заготовки: диаграмма растяжения (сжатия); исходная эпюра распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали (если исходная эпюра не задана, принимается, что напряжения в поверхностном слое отсутствуют); Е — модуль упругости, МПа; ц - коэффициент Пуассона; HV - твердость материала по Виккерсу, МПа; зависимости механических свойств от степени деформации; р - плотность материала, кг/м3; а - коэффициент линейного расширения, 1/С; X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м- С; с - удельная теплоемкость материала, Дж/кг- С; 0) - коэффициент температуропроводности, м/с2. Блок 2. Задается информация о реализации комбинированного выглаживания (одновременно или последовательно).
Параметры рабочей части инденторов: Pi, р2 - плотности материала первого и второго инденторов соответственно, кг/м3; Хь Х2 - коэффициенты теплопроводности материала первого и второго инденторов соответственно, Вт/м- С; ch c2 - удельные теплоемкости материала первого и второго инден-торов соответственно, Дж/кг- С; Параметры режимов обработки: R-! - радиус первого индентора, мм; R2 - радиус второго индентора, мм; Pj - усилие, приложенное к первому индентору, Н; Р2 - усилие, приложенное ко второму индентору, Н; S, V - подача и скорость выглаживания соответственно (в случае одновременного или последовательного упрочнения), м/об и м/с; Si, S2, V1( V2 - подачи и скорости выглаживания первым и вторым инденторами соответственно (в случае последовательного упрочнения), м/об и м/с. Параметры СОТС (если параметры не задаются, принимается, что упрочнение производится без СОТС): 0 - температура среды, С; Хср - коэффициент теплопроводности среды, Вт/м- С; тв - скорость потока среды, м/с; v - кинематический коэффициент вязкости среды, м2/с. Блок 3. Рассчитываются параметры пятна контакта /8/. Блок 4. Исходя из реализации комбинированного алмазного выглаживания (одновременное или последовательное, применяется СОТС или нет), по разработанной методике (см. разд. 3.1.2.) определяется распределение температуры в поверхностном слое. Блок 5. Используя метод переменных параметров упругости с учетом внесенных изменений (см. разд. 3.1.) по формуле (3.12) рассчитывается эпюра остаточных напряжений. Блок 6. Производится корректировка изменения механических свойств поверхностного слоя в результате пластической деформации по формулам (3.83),(3.84),(3.85),(3.91). Блок 8. Производится корректировка изменения механических и теп-лофизических свойств материала детали от температуры поверхностного слоя к моменту последующего упрочнения по формулам (3.92), (3.93), (3.94) и формулам табл. 3.3, 3.4, 3.5. Блок 9. Построение результирующей эпюры остаточных напряжений после ПППД. Сравнение эпюр полученных экспериментальным и теоретическим методами говорит об их высокой степени сходимости (рис. 3.13). Расхождение значений остаточных напряжений в поверхностном слое составляет не более 30 %. Поэтому, в связи со сложностью расчета эпюр ОН экспериментальным методом, при моделировании процесса комбинированного алмазного выглаживания можно использовать значения, полученные расчетом по предложенной методике.
Влияние технологических факторов комбинированного выглаживания на осевые остаточные напряжения в поверхностном слое
Для исследования зависимостей осевых ОН от технологических факторов были проведены экспериментальные исследования по методике описанной в разделе 2.2.
Математические зависимости поверхностных ап и максимальных остаточных напряжений амах = j(hMax) от технологических факторов алмазного выглаживания представлены в следующем виде:
Анализ полученных данных (рис. 4.9 и 4.10) свидетельствует, что при обработке поверхности алмазным выглаживанием на значения ап основное влияние оказывает усилие выглаживания, радиус индентора влияет несколько меньше. При увеличении силы и уменьшении радиуса значения поверхностных ОН снижаются. В исследованном диапазоне значений технологических факторов наибольшие значения ст„ достигаются при силе выглаживания Р . 130 Н и радиусе R 2 мм.
Анализ выражения (4.10) показал, что максимальные остаточные напряжения в основном определяются радиусом инструмента, сила влияет меньше. С уменьшением радиуса и увеличением силы стмах резко возрастают. В исследованном диапазоне значений технологических факторов наибольшие значения амах достигаются при значениях Р 230 Н, R 1,8 мм.
Проведенный анализ подтверждает, что задачи получения эпюры ОН, имеющей одновременно наибольшие значения поверхностных и максимальных ОН, а также значительную глубину упрочненного слоя (см. рис. 4.4) являются взаимоисключающими и не могут быть решены традиционными методами ппд.
Обработка полученных результатов позволила получить следующие зависимости осевых поверхностных остаточных напряжений а„ и максимальных остаточных напряжений стмах, а также их глубины залегания от технологических факторов обработки поверхности комбинированным алмазным выглаживанием:
Наиболее информативные графические зависимости влияния на о п, шх технологических факторов представлены на рис. 4.11 и рис. 4.12 соответственно.
Анализ диаграмм показал, что при выглаживании деталей за два этапа с постоянными режимами результирующая эпюра формируется на первом этапе. Вследствие упрочнения поверхностного слоя, повторное выглаживание не вносит изменений в эпюру ОН.
Комбинированное выглаживание инденторами, имеющими одинаковый радиус рабочей поверхности R, = R2 = 3 мм, но с разными усилиями Pi= 0,1 кН и Р2 — 0,3 кН позволяют получить эпюру ОН, имеющую са = 960 МПа, амах = 1240 МПа и hn = 266 мкм.
Выглаживание инденторами, имеющими радиусы R, - 4 мм и R2 = 2 мм с равным усилием Р, = Р2 = 0,2 кН формирует эпюру, характеризующуюся у„ = 830 МПа, атх = 1220 МПа и h„ = 250 мкм.
Одновременное изменение радиусов инденторов и усилий выглаживания позволяет более тонко управлять эпюрой ОН. Так, например, выглаживание на первом этапе индентором с радиусом R, = 4 мм и силой Р, = 0,1 кН, а на втором - с R2 - 2 мм и Р2 == 0,3 кН формирует эпюру, имеющую сп = 1030 МПа, а = 1520 МПа и hn = 270 мкм.
Проведенными исследованиями установлено, что выглаживание на первом этапе на "мягких", а на повторном - более "жестких" режимах создает более благоприятное распределение ОН в поверхностном слое, чем наоборот (рис. 4.13).
Итак, можно сделать вывод, что комбинированное алмазное выглаживание, характеризующееся на первом этапе "мягким воздействием" (Pi = 0,1 ... 0,16 кН, R, = 3,0 ... 4,0 мм), а затем на втором - увеличением степени деформации (Р2 = 0,26 ... 0,3 кН, R2 = 1,5 ... 2,0 мм), позволяет формировать эпюру ОН, имеющую в исследованном диапазоне наибольшие значения поверхностных и максимальных остаточных напряжений. Причем, на первом этапе формируются наибольшие поверхностные, а на втором — максимальные ОН и толщина упрочненного слоя.
