CC BY
58
УДК 621.787:9.015
А. А. Кашкаров
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУГЛЫХ ОБРАЗЦОВ С ВЫТОЧКОЙ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗГИБНУЮ ВЫНОСЛИВОСТЬ
Усталостный излом зубьев является наиболее опасным видом повреждения, поскольку он вызывает внезапный выход из строя зубчатой передачи и служит причиной остановки машины.
Известно, что шероховатость поверхности, образующаяся при механической обработке, является важным параметром качества поверхностного слоя деталей машин. Шероховатость оказывает большое влияние на многие эксплуатационные показатели деталей машин, и в первую очередь на изгибную усталостную прочность, снижая ее.
Для поверхностно неупрочненных деталей влияние шероховатости поверхности на усталостную прочность известно и широко описано в научной и справочной литературе. Шероховатость снижает усталостную прочность, причем в большей степени при ее увеличении и с ростом предела прочности стали.
На упрочненных деталях усталостное разрушение обычно начинается не с поверхности, а в подслойной зоне на границе упрочненного слоя и сердцевины металла. Имеются сведения о влиянии шероховатости поверхности на изгибную усталостную прочность деталей, упрочняемых азотированием из стали 36Х2Н2МФА [1]. Проводятся исследования для образцов, упрочненных цементацией и поверхностной закалкой токами высокой частоты. Для поверхностно упрочненных деталей, в частности упрочненных поверхностным пластическим деформированием (ППД), влияние шероховатости на усталостную прочность изучено мало и имеющиеся сведения противоречивы.
Целью работы является научное обоснование норм шероховатости путем изучения влияния шероховатости на усталостные характеристики зубчатых колес, упрочненных ППД. Изучение будет проводиться на круглых образцах с выточкой по симметричному циклу и экспериментальных зубчатых колесах по пульсирующему циклу.
Для переноса результатов испытаний образцов на натурные зубчатые колеса существует методика моделирования напряженного состояния, обеспечивающая подобие усталостного разрушения образцов и зубьев. Моделирование заключается в выполнении условия, предложенного В. П. Когаевым [ 2]:
где Ь - длина сечения, в котором действуют максимальные напряжения;
(1)
О - относительный градиент напряжений, определяемый по формуле
(7 = -О-,
(2)
где О - градиент напряжений в опасном сечении образцов и деталей. Им называют предел отношения приращения напряжения в двух соседних точках на эпюре к расстоянию между ними. С учетом этого возникает задача определения изгибных напряжений в корне зуба.
Для определения изгибных напряжений в корне зуба был применен метод конечных элементов.
При создании конечноэлементной модели был использован треугольный трехузловой элемент (рис. 1). Данный конечный элемент удовлетворяет двум гипотезам Кирхгофа с учетом мембранных усилий в серединной поверхности.
Сочленение элементов осуществляется в узлах, в которых полностью удовлетворяются условия равновесия и неразрывности перемещений.
Градиент напряжений в корне зубьев колеса, полученный расчетом, составляет:
ЧЬ
ч ^./^7
іМті
- /
тт
О = 0,24, 1/мм.
Для полукруглой выточки относительный градиент напряжений определяется по формуле Нейбера [2]:
О = — + 2. я а
Рис. 1. Схема разбивки зуба на конечные элементы
(3)
Задаваясь значением диаметра шейки выточки образца й равным 7,5 мм, находим величину радиуса выточки образца Я, который равен 25 мм (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция образца для усталостных испытаний
а
Для изучения влияния шероховатости до упрочнения (технологической наследственности) на изгибную выносливость изготовлены три серии образцов круглого сечения с выточкой по 20 штук в каждой партии из стали 40Х (1050-92) с шероховатостью 40, 20, 10.
Указанные нормы шероховатости обычно назначают исходными под упрочнение обкатыванием.
Обработку выточек образцов проводили на станке с числовым программным управлением (ЧПУ) 16К20ФЗС32 по программе, разработанной для каждой партии образцов. Токарная обработка осуществлялась в центрах. В качестве режущего инструмента использовался резьбовой резец с углом в плане 55° и радиусом при вершине резца 0,1 мм. Материал режущей пластины - титанокобальтовый сплав Т5К10. При точении заготовка и резец обильно охлаждались смазывающе-охлаждающей жидкостью.
Использование станка с ЧПУ позволило исключить субъективные ошибки при получении заданной шероховатости и достичь точности формы и размеров круговой выточки образцов.
Шероховатость выточек образцов измерялась на микроскопе УИМ-1.
Усталостные испытания образцов планируется провести в лаборатории кафедры судостроения и судоремонта. По результатам эксперимента будут построены кривые усталости и оценено влияние шероховатости поверхности под упрочнение на усталостную прочность. Результаты усталостных испытаний круглых образцов будут перенесены на натурные зубчатые колеса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мамонтов В. А. Изменение норм шероховатости выкружек зубьев для повышения технологичности азотируемых колес судовых планетарных редукторов: Дис...канд. техн. наук. - Л.,1984.
2. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. -М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.
