CC BY
33
УДК 62-1/-9
ГАЗОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЬНЫХ ВИТЫХ ПРУЖИН
Д.А. Иванов1, О.Н. Засухин2, А.П. Иванов3
3Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21. 3Балтийский государственный университет {БГТУ) «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
В данной работе рассматривается влияние параметров и продолжительности обработки пульсирующим газовым потоком на упругие свойства стальных витых пружин.
Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, упругие свойства, стальные витые пружины.
GAS-PULSE THE WORKING OF THE STEEL WOUND SPRINGS
D.A.Ivanov, O.N.Zasuhin, A.P.Ivanov
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21. The Baltic state university (BGTU) "VOYENMEKH" of D.F. Ustinov 190005, St. Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya St., 1 The influence of parameters and duration of working by the pulsatory gas flow on the elastic properties of steel wound springs in this work is examined.
Keywords:the pulsatory gas flow, elastic properties, steel wound springs.
Широкое применение в конструкции транспортных средств, технологических машин, оборудования бытового и жилищно-коммунального назначения нашли пружины, изготовленные из патентированной холоднотянутой проволоки диаметром 0,15 -+6 мм, материалом для которой служат высокоуглеродистые стали 65, 65Г, 70, У8, У10. Пружины после холодной навивки подвергают отпуску 210320 °С, для снятия остаточных напряжений, повышения предела упругости и релаксационной стойкости.
В упруго нагруженных пружинах с течением времени могут протекать релаксационные процессы, сопровождающиеся переходом упругой деформации в пластическую, что обусловлено постепенным перемещением дислокаций за счет поперечного скольжения и переползания.
Пружины должны обладать высоким сопротивлением релаксации напряжений и не приобретать остаточную деформацию при длительном упругом нагружении.
Актуальной является задача повышения упругих свойств стальных витых пружин.
Перед исследованием была поставлена задача повысить упругие свойства стальных
витых пружин, используя воздействие пульсирующего газового потока (газоимпульсную обработку), описанную в источниках [1-10], расширив, тем самым, номенклатуру обрабатываемых изделий.
При взаимодействии пульсирующего газового потока с преградой, в последней могут возникать и распространяться механические волны, под которыми понимается процесс распространения колебаний в упругой среде, сопровождающийся передачей энергии от одной точки среды к другой.
Для распространения волнового фронта справедлив принцип Гюйгенса, в соответствии с которым каждая точка, до которой доходит волновое возбуждение, является в свою очередь центром вторичных волн. Поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение фронта действительно распространяющейся к данному моменту волны.
В твердых телах упругие силы возникают как при сжатии-растяжении так и при сдвиге, благодаря чему в них возможно распространение как продольных, так и поперечных волн.
1 Иванов Денис Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механика" СПбГЭУ, моб.: +79817640822, e-mail: tm_06&mail.ru;
23асухин Отто Николаевич — заведующий лабораторией газодинамики БГТУ "ВОЕНМЕХ", моб.: +79516484544, e-mail: komdep&bstu. spb.su;
3Иванов Анатолий Петрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры "Технология конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники "БГТУ "ВОЕНМЕХ", моб.: +79117033527, e-mail: tm_0mmail.ru.
Газоимпульсная обработка стальных витых пружин
Как в поперечной, так и в продольной волнах каждая точка среды колеблется около своего положения равновесия и смещается из этого положения не более чем на амплитуду, при этом состояние деформации среды передается от одной точки среды к другой.
Энергия волны в упругой среде состоит из кинетической энергии совершающих колебания частиц и из потенциальной энергии упругой деформации среды.
Поглощение колебаний, связанное, в большинстве случаев увеличивается пропорционально квадрату частоты. Таким образом, высокочастотные колебания поглощаются существенно интенсивнее, в сравнении с обладающими низкой частотой. Механизм поглощения колебаний вследствие теплопроводности и вязкости, наблюдающийся для газов и жидкостей, характерен и для твердых тел. Вместе с тем в твердых телах к нему добавляются новые механизмы поглощения. Они связаны с дефектами структуры твердых тел. Благодаря тому, что поликристаллические твердые материалы состоят из большого числа мелких кристаллитов (зёрен), при прохождении механической волны в них возникают деформации, приводящие к поглощению энергии. Колебания рассеиваются и на границах кристаллитов.
Кроме того, в металлических материалах наблюдаются несовершенства строения, такие, как дислокации, представляющие собой линейные дефекты - локализованные искажения кристаллической решетки, вызывающие нарушения согласования атомных плоскостей. Эти дефекты также способствуют поглощению колебаний.
Плотность дислокаций определяет механические свойства металлического материала, а стало быть, и изделия из него.
Воздействуя на дислокационную структуру, механические волны, генерируемые пульсациями газового потока, способны оказывать влияние на конструктивную прочность металлических материалов.
Исследования осуществлялись при помощи газоструйного генератора типа свистка Гавро с цилиндрическим резонатором, на дне которого для подачи сжатого воздуха соосно с резонатором закреплен газоход. Противоположный торец газохода с помощью плоской круглой крышки образует щелевое кольцевое сопло, ширина которого регулируется сменными втулками. Накидная гайка фиксирует положение сменного кольцевого ножа, имеющего клиновой профиль с острием направленным в сторону щелевого сопла. Такое устройство генератора позволяло варьировать удаление клинового ножа от среза сопла, ширину щели со-
пла и взаимное положение ножа относительно кромок сопла. Веерная струя, натекая на кольцевой нож, создает условия для возбуждения режимов нестационарного наполнения и опорожнения резонатора, что, в свою очередь, вызывает колебательное движение веерной струи [5]. Резонатор располагался вертикально и сверху на него монтировалась, при помощи резьбового соединения, цилиндрическая успокоительная камера, призванная обеспечить равномерное распределение скорости газового потока по всему поперечному сечению.
Решение поставленной задачи достигается тем, что готовую стальную витую пружину растяжения или сжатия в упруго нагруженном состоянии существенно ниже значения предела упругости размещают на выходе из успокоительной камеры установки, создающей пульсирующий воздушный поток (рис. 1) и подвергают воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту порядка 2600 Гц и звуковое давление около 130 дБ при комнатной температуре.
Рисунок 1 -Упруго изогнутая стальная витая пружина размещена на выходе из успокоительной камеры установки
Так, стальные витые пружины растяжения и сжатия из сталей 70 и 65Г, упруго нагруженные существенно ниже значения предела упругости для лучшей релаксации остаточных напряжений, размещали на выходе из резонатора установки, создающей пульсирующий воздушный поток, при этом пружины были расположены поперёк потока.
Затем их подвергали воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту порядка 2600 Гц и звуковое давление около 130 дБ при комнатной температуре продолжительностью 10-^15 минут.
Сравнительные исследования, в ходе которых как подвергнутые воздействию пуль-
сирующего дозвукового воздушного потока, так и не подвергавшиеся подобной обработке пружины в течение более чем трёх недель находились в упруго нагруженном состоянии, показали, что в результате обработки по заявляемому способу увеличение релаксационной стойкости пружин сжатия составило до 20%, а пружин растяжения - до 50%.
Исследовалось влияние газоимпульсной обработки на релаксационную стойкость торсионных пружин.
Рисунок 2 -Торсионные пружины из стали 70 после пребывания в упруго нагруженном состоянии продолжительностью 28 дней: а - без обработки, б - после обработки пульсирующим дозвуковым воздушным потоком в течение 15 мин
Торсионные витые пружины из стали 70 имели первоначальный угол 49°. Обработка пульсирующим дозвуковым воздушным потоком осуществлялась в течение 15 мин. При этом пульсирующий воздушный поток также обладал частотой около 130 дБ частоту также порядка 2600 Гц и звуковое давление до 130 дБ. Направление обдува было перпендикулярно плоскости изгиба пружины в процессе её эксплуатации. В результате последующей упругой деформации до угла 90° в течение 4 недель, после снятия нагрузки у необработанной торсионной пружины угол изгиба составил 72°, у обработанной - 58° (рис. 2), т.е. остаточная деформация необработанной пружины - 23°, а у обработанной - 9° (в 2,6 раза меньше).
Влияние пульсирующего дозвукового воздушного потока на релаксационную стойкость стальных витых пружин представлена в таблице 1 и на гистограмме рис. 3.
25 20 15 10 5 0
23
необработанной
I обработанной
3 2,5
1 0,5
■
Остаточная деформация пружины растяжения, мм.
Остаточная деформация
пружины сжатия, мм.
Остаточная деформация торсионной пружины, град.
Рисунок 3 -Остаточная деформация необработанных и обработанных стальных витых пружин. В процессе газоимпульсной обработки пружины размещались на выходе из успокоительной камеры
Воздействие пульсирующего дозвукового воздушного потока способствует релаксации остаточных напряжений в пружинах а также оказывает благоприятное для упругих свойств воздействие на подвижность дислокаций.
Процесс повышения упругих свойств стальных витых пружин, а также уменьшения остаточных растягивающих напряжений на поверхности металлических изделий можно интенсифицировать, путём увеличения скорости натекающего на изделие газового потока без существенного изменения амплитудно-частотных характеристик. В ходе исследования было изменено расположение обдуваемой пружины растяжения, ранее размещавшейся на выходе из успокоительной камеры установки, с помещением её на кольцевое щелевое сопло вблизи рассекателя веерной струи (рис. 4), в результате получив не менее чем трёхкратное увеличение скорости воздушного потока, натекающего на изделие.
В результате продолжительность газоимпульсной обработки, необходимой для повышения упругих свойств пружинного изделия уменьшилась с 10-15, до 5 мин. (табл. 2 гистограмма рис. 5).
При данном расположении, на пружину оказывают воздействие воздушные импульсы, отраженные от рассекателя.
Поскольку менялось лишь место размещения обрабатываемого изделия, амплитуд-
9
Оценка жесткости климатологических факторов при эксплуатации транспортных средств
но-частотные характеристики пульсирующего воздушного потока близки (рис. 6).
б)
Рисунок 4 - Расположение пружины в кольцевом сопле: а) кольцевое щелевое сопло 1, нож (рассекатель струи) 2,6) стальная витая пружина размещена на кольцевом щелевом сопле
Рисунок 5 -Остаточная деформация необработанной и обработанной пульсирующим газовым потоком пружины растяжения из стали 70 после 3 недель в растянутом состоянии. При
газоимпульсной обработке пружина размещалась на кольцевом щелевом сопле
С целью подтверждения того, что процесс уменьшения остаточных растягивающих напряжений на поверхности металлических изделий можно интенсифицировать за счёт увеличения скорости натекающего на изделие газового потока без существенного изменения амплитудно-частотных характеристик, было осуществлено дополнительное исследование. В его ходе также изменялось расположение обдуваемого изделия, ранее размещавшегося на выходе из успокоительной камеры установки, с помещением его вблизи рассекателя веерной струи, в результате получив не менее чем трёхкратное увеличение скорости воздушного потока, натекающего на изделие. В результате продолжительность газоимпульсной обработки, необходимой для снятия остаточных растягивающих напряжений на поверхности металлических кольцевых и трубных изделий уменьшилась с 10-15, до 5 минут.
Так, в частности, над рассекателем веерной струи было размещено тонкостенное шовное кольцо (толщина стенки 0,3 мм) наружным диаметром 65 мм и высотой 35 мм.
,_а)_
._Pwp.13.B1 Left ^ Overlays
Мга О
1|Г Overlay 1
iJ Г Overlay 2 Ur Overlay 3
iJT Overlap 4
иг
иг Overlay6 Options... |
™|U J.....и
2.0k 2.2k 2.4k 2.6k 2.8k 3.0k
FreauencvtHz) 6)
Рисунок 6 -Амплитудно-частотные характеристики пульсирующего газового потока:
а) - изделие размещено на выходе из успокоительной камеры; б) - изделие размещено на кольцевом щелевом сопле вблизи рассекателя
2,5 2 1,5 1
0,5 0
□ необработанная пружина
■ обработанная
пружина
-19.0
S-29.0 | -39.0 I -49.0 I -59-0
PHS
■yliU, 'M^mi i-1—n—
1улА ^ifr
ЕП J
Frequency IHz;
Let Overlays
to о
Jj Г Overlay 1 1] Г Overlay 2 U Г Overlay 3 3D Overlay < Jj Г Overlay 5 ll Г Overlay 6 Optlone...
Остаточная деформация, мм
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(29) 2014
23
Обдув осуществлялся при частоте порядка 2100 герц, звуковом давлении около 125 дБ и скорости воздушного потока до 75^-80 м/с, что втрое выше скорости на выходе из успокоительной камеры, где прежде размещались при обработке подобные изделия. В результате, растягивающие тангенциальные остаточные напряжения, составлявшие 340 МПа, за 5 минут газоимпульсной обработки снизились на 67%.
Полученные данные свидетельствуют о ведущей роли газовых импульсов в воздействии нестационарных течений на напряженное состояние, структуру и свойства металлических изделий и резерве для повышения эффективности и сокращения продолжительности газоимпульсной обработки за счёт повышения скорости натекающего на изделие пульсирующего газового потока.
Таблица 1 - Влияние пульсирующего дозвукового воздушного потока на релаксационную стойкость витых пружин
Вид пружины Материал пружины Остаточная деформация необработанной пружины Остаточная деформация обработанной пружины
Растяже- Сталь 3 мм 2,5 мм
ния 65Г
Сжатия Сталь 70 1 мм 0,5 мм
Торсион- Сталь 23° 9°
ная 70
Таблица 2 - Влияниепульсирующего дозвукового воздушного потока на релаксационную стойкость пружины, обработанной пульсирующим газовым потоком по интенсивной технологии
Воздействие пульсирующего дозвукового воздушного потока способствует снятию нежелательных остаточных напряжений в пружинах а также оказывает благоприятное для
упругих свойств воздействие на подвижность дислокаций.
Таким образом, в результате исследования был получен технический результат, а именно: повышение упругие свойства стальных витых пружин.
Литература
1. Иванов Д. А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Технико-технологические проблемы сервиса. -2007, №1, с. 97-100.
2. Иванов Д. А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-воздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. -2008, №2, с. 57-61.
3. Иванов Д. А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. -2010, № 11, с. 50-53.
4. Иванов Д. А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. -2011, №4, с. 24-29.
5. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-технологические проблемы сервиса. -2012, № 4, с. 33-37.
6. Иванов Д.А., Васильева A.B. Струйные технологии в машиностроении. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. - 147 с.
7. Воробьева Г.А., Иванов ДА., Сизов A.M. Упрочнение легированных сталей термоимпульсной обработкой // Технология металлов. - М., 1998, №2, с. 6-8.
8. Иванов Д. А. Повышение конструктивной прочности машиностроительных сталей путем импульсного воздействия при отпускном охлаждении // Двига-телестроение. - СПб., 2005, № 4, с. 30-32.
9. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. - СПб., 2010, №2, с. 20-22.
10. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. -СПб., 2012, №3, с. 12-15.
Вид пружины Материал пружины Остаточная деформация необработанной пружины Остаточная деформация обработанной пружины
Растяжения Сталь 70 2 мм 1 мм
