CC BY
91
УДК 621.436
Д.В. Синчурин, С.П. Косырев
МЕТОД СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЦИЛИНДРОВОЙ ВТУЛКЕ В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Применение гидродробеструйной обработки в условиях виброударного нагружения в местах концентрации напряжений является актуальным решением задачи повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок современных дизелей, т.к. стоимость замены этих деталей при выходе из строя на порядок выше себестоимости самой цилиндровой втулки.
Усталостные разрушения, галтель, гидродробеструйная обработка, остаточные напряжения
D. V. Sinchurin, S. P. Kosyrev
METHOD OF DECREASE IN CONCENTRATION OF TENSION IN THE CYLINDER
PLUG IN THE CONDITIONS OF SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMATION
Application of hydroblast processing in the conditions of vibroshock loading in places of concentration of tension is the actual solution of a problem of increase of operational reliability of cylinder plugs of modern diesels, since the cost of replacement of these details at failure 10 times more prime cost of the most cylinder plug.
Fatigue failures, galtel, hydroblast processing, residual tension
При динамическом знакопеременном нагружении цилиндровых втулок современных дизелей возникает необходимость обеспечения усталостной прочности за счет нейтрализации концентрации напряжений, применения высокопрочных материалов, снижения действующих динамических
напряжений, увеличения размеров сечений. Развитие других направлений увеличения сопротивления усталости, связанных с прогрессивными безотходными и высокоэффективными методами упрочнения только тех мест концентрации, где усталостное разрушение наиболее вероятно приобретает большее значение в этих условиях.
Зарождение усталостной трещины наблюдается в галтельном радиусе перехода опорного фланца в образующую стенку втулки в зоне наименьшего сечения, как показывает анализ усталостных разрушений цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей. Высокий уровень рабочих динамических напряжений и наличии их концентрации с высоким градиентном приводит к вышесказанной закономерности трещинообразования. Применение поверхностного пластического деформирования для снижения концентрации напряжений и повышения несущей способности галтельной зоны цилиндровой втулки является упрочнение радиусного перехода опорного фланца во втулку гидродробеструйной обработкой, позволяющей регулировать свойства поверхностного слоя формированием в нем остаточных напряжений [1].
При действии знакопеременных нагрузок основное значение приобретает не характер распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя детали, а величина и знак напряжений на поверхности [2]. Решающее значение на служебные свойства гидроупрочненной цилиндровой втулки оказывают направленные вдоль втулки осевые остаточные напряжения сжатия, проявление которых совпадает с развивающимися рабочими динамическими напряжениями. Безотходная технология изготовления цилиндровых втулок требует исследование влияния остаточных напряжений на несущую способность упрочненных цилиндровых втулок и предусматривает компенсацию разупрочняющего влияния обезуглероженного слоя гидродробеструйной обработкой. Отсутствие обобщенных публикаций по проблеме повышения сопротивления усталости цилиндровых втулок дифференцированной гидродробеструйной обработкой приводит к снижению развитие работ в этой области и их практическому применению.
Для комплексной оценки изменения физико-механического состояния поверхностного слоя в зоне концентрации напряжений на радиусе галтельной зоны цилиндровой втулки при гидродробеструйной обработке использовали контрольные пластины как образцы - свидетели, изготовленные в масштабе 5:1 из материала упрочняемой детали, пологая при этом, что статистическая стрела прогиба является мерой интенсивности и стабильности процесса гидродробеструйной обработки упрочняемой конструкции [1]. Так как остаточные напряжения сжатия искажают форму галтельного радиусного перехода, целесообразен новый поход к оценке остаточных напряжений в условиях виброударного нагружения при гидродробеструйной обработке.
Схема экспериментального определения остаточных напряжений в отдельной полоске галтельной зоны (рис.1) содержит жестко закрепленный поверхностный элемент радиусом R, впадина которого односторонне обрабатывается виброударно шарами из сопла 2 в камере гидродробеструйной электрической установки (ГДЭУ-5).
На противоположной стороне поверхностного элемента наклеиваются рабочие R1 и R2 компенсационные тензодатчики, причем, тензодатчик R2 устанавливается на плоском участке элемента в непосредственной близости от тензодатчика R1 наклеенного в скругленной зоне. Такая схема установки позволяет исследовать напряженное состояние как плоского, так и скругленного участков гал-тельной зоны, исключить таким образом погрешности, связанные с изменением напряженного состояния на концах образца (краевой эффект) [1].
Изготовление плоских образцов велось шлифовальным кругом с малой подачей на чистовых режимах при обильном охлаждении. Остаточные напряжения в вырезанной пластине определялись по методу Н.Н. Давиденкова.
На начальные и остаточные напряжения в поверхностном слое цилиндровой втулке влияют следующие особенности гидродробеструйной обработки.
Для всех вариантов упрочнения шариками диаметрами 1,6, 2 и 3 мм в поверхностном слое детали формируется начальное остаточное напряжение (рис.2). С увеличением диаметра шариков с 1,6 до 3 мм уменьшается удельная энергия удара, что снижает максимальные начальные остаточные напряжения с 600 МПа до 350МПа, увеличивает глубину их проникновения. Уменьшение же диаметра шариков увеличивает максимальные значения остаточных напряжений сжатия и снижает глубину их залегания в упрочненном слое. Таким образом, для увеличения глубины упрочненного слоя сжимающими остаточными напряжениями необходимо увеличить диаметр шариков, а для увеличения уровня начальных остаточных напряжений целесообразно его уменьшать.
Рис. 1. Схема исследования остаточных напряжений в галтельной зоне и на плоском участке образца-свидетеля при гидродробеструйной обработке: - Р2 - рабочие тензодатчики; К - компенсационный тензодатчик; Н - толщина пластины; 1 - образец-свидетель; 2 - сопло ГДЭУ-5; 3 - усилитель тензостанции 8АНЧ-ТМ;
4 - осциллограф Н-115; 5 - блок питания
Глубина, мм
Рис. 2. Влияние диаметра шариков на начальные остаточные напряжения после гидродробеструйной обработки: 1 - 01,6 мм; 2- 02,0 мм; 3 - 03,0 мм
Полученные данные дают основания утверждать, что глубина проникновения начальных остаточных напряжений определяется энергетическими возможностями установки ГДЭУ-5, ее производительностью и кинетикой удара шариков.
Как пример, на рис. 3 представлены осциллограммы динамических напряжений в зоне их концентрации и на плоском участке.
Рис. 3. Осциллограммы динамических напряжений в зоне их концентрации и на плоском участке поверхностного элемента в процессе гидродробеструйной обработки: а) в зоне концентрации; б) на плоском участке
В процессе исследований установлено: остаточные напряжения сжатия в радиусном сопряжении деталей при гидродробеструйной обработке создают такую же концентрацию напряжений, как и рабочие динамические напряжения от внешнего знакопеременного нагружения. Гидродробеструйным упрочнением галтельной зоны цилиндровой втулки удается нейтрализовать концентрацию напряжений ас = 2,73 до ас = 1,5.
1. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н. Л. Концентрация остаточных напряжений в коленчатом вале форсированного дизеля в условиях поверхностного пластического деформирования // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. № 5. С. 35-38.
2. Подзей А.В. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973. С. 156.
ЛИТЕРАТУРА
Косырев Сергей Петрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и автоматизация машиностроения»
Sergey P. Kosyrev -
Dr. Sc., professor
«Technology and mechanical engineering automation» Balakovo institute of technics, technology and management Gagarin Saratov State Technical University
Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.
Синчурин Денис Васильевич -
аспирант, ассистент кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.
post-graduate student, the assistant to chair «Technology and mechanical engineering automation» Balakovo institute of technics, technology and management Gagarin Saratov State Technical University
Denis V. Sinchurin -
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
