CC BY
153
УДК 621.91
Макаров В.Ф. , Горбунов А. С.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ
Аннотация: Приведены результаты исследования влияния последовательности выполнения технологических операций обработки зубьев шестерен на параметры качества поверхностного слоя - шероховатость, остаточные напряжения и наклеп. Установлено, что наиболее благоприятная картина распределения остаточных напряжений в поверхностном слоя дна впадины зубчатого венца наблюдается после операции закалки с последующим упрочнением микрошариками - (метод ППД) . При этом микротвердость поверхностного слоя увеличивается в 2-2,5 раза.
Ключевые слова: Газотурбинный двигатель, спирально-коническая шестерня, зубья, надежность,
ресурс, зубооброботка, качество поверхностного слоя, впадина, микротвердость, остаточные напряжения.
Одна из актуальных проблем на ОАО «Пермский Моторный Завод» - это проблема повышения надежности и ресурса работы спирально-конических зубьев шестерен коробки приводов ГДТ. Решение проблемы может быть как конструкторское, так и технологическое. Конструкторские методы связаны с увеличением усталостной прочности за счет увеличения габаритов и веса деталей. В связи с тем, что увеличение габаритов и веса основного производимого газотурбинного двигателя ПС-90А ограничено, наиболее эффективными являются технологические методы повышения надежности и ресурса работы конических зубчатых шестерен (КЗК). Эти методы сводятся к созданию такой цепочки операций и видов операций при которых создаются геометрические, физико-механические и химические свойства обеспечивающие надежную эксплуатацию и ресурс конических шестерен и газотурбинного двигателя в целом.
От надежности и долговечности зубчатых передач зависит надежность и долговечность газотурбинного двигателя в целом. Зубчатые колеса работают в условиях агрессивных сред, высоких температур, действия знакопеременных нагрузок. Воздействие этих факторов может привести к появлению и накоплению различных дефектов в структуре материала, чаще всего в виде развития усталостных трещин, изменения структуры и физико-механических свойств, коррозии металла. Обычно эти дефекты образуются в тонком поверхностном слое деталей и развиваются в глубь детали с последующим их разрушением. Качество поверхностного слоя таких деталей определяется последовательностью технологических операций механической обработки зубьев шестерен. И именно поверхностному слою следует уделять особое внимание в процессе изготовления деталей.
Один из основных показателей качества и конкурентоспособности изделий - надежность (безотказность и долговечность) определяется эксплуатационными свойствами их деталей и соединений: прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, герметичность и т.д. [1]. В процессе изготовления изделий их свойства непрерывно изменяются в результате двух взаимодействующих процессов: трансформирования и сохранения свойств изделий. Трансформирование свойств происходит в
основном вследствие прямого технологического воздействия на предмет производства. Сохранение же этих свойств связано с явлениями технологической наследственности. При этом неизменно приходится обращаться к фактору времени. Для того чтобы использовать явления технологической наследственности для практики изготовления прецизионных изделий необходим грамотно проведенный анализ. Такой анализ позволяет принять соответствующие технологические меры, которые могут, в первую очередь быть сведены к изменению условий формообразования на заготовительной операции или при термообработке [2, 3, 4, 5].
Известно, что различные виды (как механическая, так и химико-термическая) обработки поверхностей деталей формирует определенный, свойственный каждому методу обработки свой макро-, микро-, субмикрорельеф обработанной поверхности со своими физико-химическими свойствами. Каждому виду обработки соответствуют свои характерные свойства поверхности, которые с точки зрения эксплуатационных свойств детали могут быть как положительные (т.е. желаемые, например остаточные напряжения сжатия), так и отрицательные (т.е. не желаемые, например остаточные напряжения растяжения).
В связи с этим, ставится задача сформировать, за счет подбора последовательности выполнения операций зубообработки, такие свойства поверхностного слоя детали, которые обеспечивали бы надежную эксплуатацию изделия современных авиационных двигателей, т.е. создание положительной технологической наследственности.
Для научно-обоснованного определения этой последовательности проведен анализ возможного влияния технологических факторов на формирование основных параметров качество поверхностного слоя на примере изготовления конических шестерен коробки приводов двигателя ПС-90А (рис. 1). В свою очередь сформированное качество поверхностного слоя влияет усталостную прочность и возможное разрушение зубчатых колес в процессе эксплуатации. Конические шестерни работают в тяжелых условиях знакопеременных нагрузок и имеют два режима работы: стартовый (пусковой) и рабо-
чий режимы. На рабочем режиме шестерня передает мощность от КВД двигателя к агрегатам коробки двигательных агрегатов (КДА). На стартерном режиме шестерня служит для передачи мощности от стартера к ротору высокого давления (КВД) при запуске двигателя. Этот режим характерен малой протяженностью по времени и высокими нагрузками на шестерню, т.к. двигатель имеет большую инерционную массу составных частей, которые необходимо раскрутить для его запуска. Поэтому к спирально-коническим шестерням предъявляются особые требования по точности изготовления, контактной, изгибной прочности и износостойкости поверхности зуба. Зубчатый венец имеет впадины , которые, как известно, являются концентраторами напряжений при определенных эксплуатационных нагрузках.
зуб шестерни
дно Впадины зуба
фаска продольная
Рис 1. Коническая шестерня газотурбинного двигателя ПС-90А.
Под действием контактных нагрузок образуются изгибающие силы в зацеплении и во впадине у основания зуба концентрируются знакопеременные сжимающие и растягивающие напряжения (рис. 2 ) величину которых можно рассчитать по следующей зависимости[1].
^ _ Ми _
и
6-Wa-hx-cosyk
9 2 '
*->1
где hx - плечо изгиба, Si линии зацепления.
толщина зуба в опасном сечении, Wa - нагрузка, действующая по
Рис. 2. Напряжения во впадине зуба от действия контактных сил в зацеплении
Проведено математическое моделирование возникающих напряжений от действия изгибающих сил Р в зацеплении. В результате расчета установлено, что наибольшее значение растягивающих напряжений наблюдается в радиусе перехода от впадины к боковой поверхности зуба.
Проведенный факторный анализ возможных причин образования усталостных трещин и возможного разрушения шестерен показал, что факторы, которые могут привести к образованию усталостных трещин можно разделить на 3 основные группы:
1) Конструктивные:
Кинематическая схема коробки приводов; конструкции шестерен.
Технологические:
параметры качества поверхности впадины:
большая величина шероховатости впадины;
наличие рисок на торцевых фасках шестерни и врадиусе сопряжения;
наличие концентраторов напряжений на дне впадины в виде выступов и впадин от следов режущего инструмента;
наличие концентраторов напряжений (уступы) на торцевых фасках малого модуля зубчатого венца.
параметры качества поверхностного слоя:
наличие растягивающих остаточных напряжений;
Большая степеньстепень наклепа и его глубина.
3) Производственные:
Нарушения технологического процесса и нерациональные режимы резания (повышенное торцевое биение режущих кромок резцовых головок, повышенный износ разрушение резцов, наличие глубоких рисок на фасках, повышенные вибрации станка;
Конструкторские мероприятия решаются путем увеличения габаритов детали, радиусов сопряжений, что не всегда допустимо в авиационной технике.
Для установления взаимосвязи между последовательностью и типами операций обработки зубьев и параметрами качества поверхности дна впадины проведены экспериментальные исследования.
Методика проведения исследования заключалась в следующем:
Проведена обработка заготовок конических шестерен из стали 20Х3МВФ-Ш по серийному технологическому процессу: штамповка ^ подготовка базовых поверхностей ^ ^зубонарезание ^ нитроцементация ^ закалка;
Выполнена операция поверхностно-пластического деформирования ППД дна впадин конических шестерен (дробеструйная обработка);
Для определения остаточных напряжений по методу Н.Н. Давиденкова спроектированы и вырезаны специальные образцы (рис 4 а), согласно схеме вырезки (рис 4 б), из конического зубчатого колеса;
Для определения микротвердости поверхности во впадинах зубчатого венца спроектированы и вырезаны образцы согласно схеме вырезки (рис 5 а и б).
б)
Рис. 4. Схема вырезки образцов из впадины зуба: а) для определения остаточных напряжений; б)
для замера микротвердости
Образцы вырезались последовательно после выполнения каждой из следующей операций:
Зуборезная (ст-к: мод. 528, инстр.: 9 дюймовая резцовая головка с резцамииз материала P6M5,
скорость резанияУрез. =29 м/мин, подача S=120 с/зуб);
Газовая нитроцементация (печь Ц-60, нагрев Т=925°С, время выдержки б=4-7ч, охлаждение-воздух);
Закалка (установка FL-2000, нагрев Т=910°С, время выдержки t=30 мин., охлаждение-масло,)+обработка холодом (охлождение Т= -130°С, время выдержки t=2ч) +отпуск (печь ПН-34, нагрев Т=300°С, время выдержки t=2ч, охлаждение-воздух);
Обдувка песком (ручная камера А-6-1650, электрокорунд 24А F180...F220, давление воздуха
Р=2кгс/см2);
Дробеструйная обработка (упрочнение) (установка Blast, микрошарики WS-70 /Франция/, фрак-ция180...420 мкм, давление воздуха Р=4,6кгс/см2).
Образцы для остаточных напряжений и микротвердости вырезались с помощью прецизионного электроэрозионного проволочного станка фирмы Sodick (Япония).
Остаточные напряжения определялись на установке АПООН методом Н.Н. Давиденкова (по схеме на рис.5). Характер изменения остаточных напряжений Оост во впадине конического зубчатого венца по глубене поверхностного слоя h после различных видов обработки приведен на рис.6. Микротвердость измерялась на микротвердомере LM-700 фирмы LECO при нагрузке 25 г.. Результаты измерения микротвердости поверхности дна впадины конического зубчатого венца после различных видов обработки приведены на рис.7.
датчик перемещения
— - поверхность траВлення
Рис. 5. Схема измерения остаточных напряжений
В результате анализа измерений остаточных напряжений установлено:
После выполнения операции зубонарезания на поверхности дна впадины залегают незначительные сжимающие остаточные напряжения до -31 МПа, при этом наклеп на поверхности также минимальен, что говорит о преобладании температурного фактора в процессе резания.
В процессе нитроцементации без обдувки образуются незначительные растягивающие напряжения у поверхности дна впадины до величины 79 МПа.
Применение операции закалки без обдувки песком приводит к появлению растягивающих напряжениям до величины 126 Мпа. Последующая обдувка песком приводит к появлению сжимающих напряжений до -900 Мпа, переходящие на глубине 15 мкм в растягивающие до 315 Мпа.
Выполнение операции закалки с последующим упрочнением дна впадины микрошариками также приводит к появлению сжимающич напряжений до -530 МПа на глубине 100 мкм.
Применение операции закалки с последующей обдувки песком и микрошариками наводит наибольшие сжимающие напряжения до -1017 МПа, переходящие на глубине 35 мкм в растягивающие до 15 кгс/мм2. При этом микротвердость поверхности возрастает до 809.834 HV 0,025.
Рис.6. Характеристика распределения Оост остаточных напряжений на дне впадины конического зубчатого колеса по глубине поверхностного слоя h после различных видов обработки.
Из анализа результатов исследований можно сделать вывод, что наиболее благоприятная картина распределения остаточных напряжений в поверхностном слоя дна впадины зубчатого венца наблюдается после операции закалки с последующим упрочнением микрошариками - (метод ППД) . При этом микротвердость поверхностного слоя увеличивается в 2-2,5 раза.
Рис.7. Диаграмма изменения микротвердости поверхности на образцах, вырезанных из дна впадины конического зубчатого колеса после различных видов обработки.
Для проведения сравнительных усталостных испытаний вырезались образцы из конкретных деталей после механической обработки по нескольким вариантам с упрочняющей обработкой микрошариками и без упрочнения. Усталостные испытания проводились на электродинамическом стенде ВЭДС-200А с частотой * 690 Гц с увеличением нагрузки начиная с 28 кг через 2 кг (28, 30, 32, 34 ...до разрушения (рис.8).
Рис. 8 Общий вид усталостных испытаний образцов, вырезанных из спиральноконических шестерен.
В результате испытаний установлено повышение усталостной прочности шестерен после упрочняющей обработки на 30-35 %. Шестерни разрушались без упрочнения при нагрузке 32-34 кгс, а после упрочнения - при 40-42 кгс. Новая технология упрочняющей обработки рекомендована для внедрения на производстве
ЛИТЕРАТУРА
1. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства шлифованных деталей. Минск, 1971
2. Маталин А.А. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства деталей. Вестник машиностроения, №11, 1968
3. Дальский А.М. Основные положения теории технологической наследственности в машиностроении. Научные основы технологии и прогрессивные технологические процессы в машиностроении и приборостроении. М. , 1971
4. Васильев А.С., Дальский А.М. Роль технологической наследственности в обеспечении качества изделий. Сборник докладов Межд. НТК «ТМ 2010», Воронеж, 2010г., стр. 22-26.
5. Васильев А.С. Направленное формирование свойств изделий машиностроения / А.С. Васильев,
А.М. Дальский, Ю.М. Золоторевский, А.И. Кондаков // М.: Машиностроение, 2005. 352 с.
6. Горбунов А.С., Макаров В.Ф. Влияние последовательности обработки спирально-конических шестерен на распределение остаточных напряжений и величину наклепа поверхностного слоя зубьев. М. журнал «Технология машиностроения», 2012,№3, с.9-12
7. Макаров В.Ф., Горбунов А.С. Применение методов ППД при обработке деталей ГТД. Материалы Всеросс. Научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении», Ишимбай, 10-12 июня 2012г., с. 12-13
