CC BY
63
УДК 621.787: 621.91
М.С. Махалов
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН УПРОЧНЕННЫХ РАЗМЕРНЫМ СОВМЕЩЕННЫМ ОБКАТЫВАНИЕМ
Известно, что упрочняющая обработка методами поверхностного пластического деформирования (ППД) обеспечивает высокое качество поверхностного слоя (ПС) и усталостную долговечность упрочненных деталей.
Способ размерного совмещенного обкатывания (РСО), особенностью которого является оригинальная схема взаимодействия режущего и деформирующего инструментов, представляет собой развитие совмещенных способов ППД. Исследования показали, что РСО позволяет в широком диапазоне регулировать такие параметры качества, как шероховатость поверхности Ка от 0,04 до
0,8 мкм, глубину упрочнения И в пределах от 0,9 до 10 мм, степень упрочнения 8 от 17 до 50% и др., при создании благоприятных эпюр сжимающих остаточных напряжений [1].
При исследовании возможностей РСО по обеспечению циклической долговечности упрочненных деталей был использован аппарат механики технологического наследования состояния поверхностного слоя, позволяющий описать в единых терминах и категориях физическую природу поведения металла на стадиях жизненного цикла и привести результаты исследований к форме, удобной для инженерного пользования. В качестве накопленных параметров, наряду с традиционными параметрами качества ПС, используются степень деформации сдвига Л, степень исчерпания запаса пластичности (СИЗП) ^, компоненты тензора остаточных напряжений \Тсост ] и др. [1].
Разработанная в рамках выбранного аппарата расчетно-аналитическая модель механического состояния поверхностного слоя упрочненной детали на стадии циклического нагружения после обработки размерным совмещенным обкатыванием позволила оценить закономерности накопления деформаций, исчерпания запаса пластичности и релаксации тензора остаточных напряжений в процессе усталостного нагружения до момента зарождения усталостной трещины [2].
Экспериментальные исследования определения влияния режимов обработки и накопленных при РСО свойств поверхностного слоя на циклическую долговечность проводились по разработанной и представленной в данной работе методике.
В качестве основы при разработке были приняты методики А.В. Журавлева, В.Ю. Блюмен-штейна и А. А. Кречетова, которые использовались
авторами для проведения усталостных испытаний образцов, обработанных традиционным ППД, а также резанием и ППД в наследственной постановке [1,3-4].
Однако технологические особенности РСО, иная динамика накопления деформации, исчерпания запаса пластичности и релаксации остаточных напряжений при последующем эксплуатационном нагружении ПС, упрочненного РСО, не позволяют использовать методики, представленные в работах [1,3-4].
Схема экспериментальных образцов, изготовленных из стали 45 (160..180 НУ) ГОСТ 1050-88 одной партии в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502-79, показана на рис. 1. С целью локализации максимальных напряжений и, как следствие, положения точки зарождения усталостной трещины по оси образца, рабочая поверхность выполнялась в виде сочетания цилиндрической части (4) и галтели (3).
Диаметр цилиндрической части выбирался исходя из возможности создания в ней требуемых эксплуатационных напряжений, лежащих в диапазоне многоцикловой усталости (оэ = 0,7..0,8от); их величина составила 280 МПа (28 кгс/мм2) (от -предел текучести стали 45 при растяжении) [5-7].
Образцы изготавливались на токарном станке с ЧПУ мод. 1В340Ф30, а затем на станке 3М152В подвергались шлифованию с уменьшающимся припуском для обеспечения требуемых размеров в пределах заданных полей допусков, а также для устранения эффекта упрочнения и шероховатости ПС после токарной обработки.
Рабочая часть усталостных образцов (цилиндрическая поверхность 4, точка сопряжения с галтелью и прилегающая к цилиндрической поверхности часть галтели 3) подвергалась обработке РСО с различными режимами на станке 16К20Ф3, оснащенном современной системой ЧПУ N^201. На стадии предварительных экспериментальных исследований было установлено, что механическая обработка обеспечивала циклическую долговечность материала в рабочей части большую, чем долговечность необработанного материала зажимной части при меньших напряжениях, то есть происходило разрушение образца в зажимной части (поверхность 2). В связи с этим зажимная часть усталостных образцов (2) и прилегающая к ней часть галтели (3) дополнительно упрочнялись ППД роликовым инструментом при следующих значениях параметров режима: Б = 0,1 мм/об; п = 125 об/мин; Dр = 65 мм; Япр = 5 мм; Р = 3000 Н.
Схема нагружения экспериментальных образцов консольным изгибом с вращением приведена на рис. 2. Экспериментальные исследования проводились с постоянными амплитудными значениями напряжений и синусоидальной форме симметричного цикла, при котором максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку («мягкая» схема нагружения). Коэффициент асимметрии цикла составил Яо = -1.
Исследования проводились на модернизированной машине для усталостных испытаний УКИ-10М, которая позволяла одновременное испытание 2-х экспериментальных образцов с часто-
той вращения 3000 или 6000 об/мин (рис. 3). Для дальнейшего сопоставления полученных результатов с результатами других исследователей использовалась частота вращения образцов 3000 об/мин.
Установка образцов осуществлялась в цанговые патроны, допускаемое биение нагружающего узла при этом не превышало 0,01-0,015 мм. Плавное нагружение до требуемых напряжений в рабочем сечении обеспечивалось с помощью нагружающего узла и набора грузов.
Амплитудные значения действующих напряжений в сечении образца определялись как:
Зажимная цанга Рабочее сечение обРазЧа
Рис. 2. Схема нагружения экспериментальных образцов
Рис. 3. Внешний вид машины для усталостных испытаний УКИ-10М
aa =
32Pl nd3
(і)
где Р - сила, приложенная к образцу; I - расстояние между рассматриваемым сечением и точкой приложения силы; й - диаметр рассматриваемого сечения (рис. 2).
Режимы механической обработки выбирались таким образом, чтобы исключить возможность пластического изгиба усталостных образцов и выхода геометрических параметров за пределы технических требований (рис. 1).
Для каждой серии экспериментальных образцов изготавливался образец-свидетель, на котором осуществлялась фиксация очага деформации и измерение исходного распределения твердости по глубине ПС и шероховатости поверхности. По полученным очагам деформации производился расчет действительных параметров режима обработки, а также параметров механического состояния поверхностного слоя [8].
Циклическая долговечность образцов определялась расчетно-экспериментальным путем на
основе изменения микротвердости образцов в процессе циклического нагружения. Образцы каждой серии были разделены на 3 группы. Выделенные группы образцов испытывались на усталостной машине следующим образом: 1-ая группа -до числа циклов N = 0,5 млн. циклов; 2-ая группа
- до N = 1,25 млн. циклов; 3-я группа - до N = 2,0 млн. циклов.
Контроль прогиба и биения образцов осуществлялся с помощью индикатора часового типа
Tesa Instruments 355B с ценой деления 0,002 мм. Индикатор устанавливался в индикаторной стойке машины УКИ-10М, а измерение проводилось на каждом образце до и после его нагружения (рис. 3).
Предварительными экспериментами было зафиксировано также изменение микроструктуры упрочнённых образцов: деформированные зерна поверхностного слоя несколько вытянуты в направлении движения индентора при упрочняющей обработке и имеют меньший размер малой оси по сравнению с зернами недеформированной сердцевины (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктура образцов после усталостного нагружения (увеличение x450)
После усталостного нагружения до заданного 1. Установить взаимосвязь микротвердости
числа циклов каждый образец разрезался в опас- поверхностного слоя с количеством циклов уста-
Ь,:
0,2 ■ 0,40,6 ■ 0,8 ■ 1,0 1,2 ■ 1,4 -
2,0 2,2 ■ 2,4
II і * 1#
1 /|
1 (и) X ^
9 (•) -
Я
■м
■
■
■ ■ *
160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 НУ
Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя (образец №«1071): 1) после обработки РСО; 2) после N = 1,25 млн. циклов нагружения
ном сечении, а образцы-свидетели дополнительно разрезались в рабочей части ближе к подшипниковому узлу. Полученные срезы позволили изготовить металлографические шлифы, на которых с помощью микротвердомера ПМТ-3 осуществлялось измерение микротвердости по глубине поверхностного слоя с шагом 0,02 мм и нагрузкой 100 г, дважды по каждому шлифу - по зернам феррита и перлита. На образцах-свидетелях осуществлялось также измерение исходного распределения микротвердости до усталостного нагружения. По результатам измерений строились графики распределения микротвердости по глубине ПС (рис. 5).
Использование разработанной расчетно-
аналитической модели механического состояния поверхностного слоя упрочненной РСО детали на стадии циклического нагружения и результатов экспериментальных исследований, проведенных в соответствии с вышеизложенной методикой, позволило:
лостного нагружения и определить циклическую долговечность образцов Nцд, подвергнутых упрочняющей обработке РСО с различными режимами.
2. Рассчитать глубину зарождения усталостной трещины Нтр.
3. Оценить продолжающееся на стадии циклического нагружения накопление деформаций и исчерпание запаса пластичности по распределению микротвердости упрочненного поверхностного слоя детали и рассчитать накопленную на стадии циклической долговечности степень деформации сдвига АЛцд.
4. Установить взаимосвязи циклической долговечности NЦд с параметрами режима и значениями Л и накопленными при обработке РСО.
Работа выполнена под руководством д.т.н. проф. Блюменштейна В.Ю.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блюменштейн В. Ю. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин / В. Ю. Блюменштейн, В. М. Смелянский. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 400 с.: ил.
2. Блюменштейн В. Ю. Расчетно-аналитическая модель механического состояния поверхностного слоя упрочненной детали на стадии циклического нагружения после обработки размерным совмещен-
ным обкатыванием I В. Ю. Блюменштейн, М. С. Махалов II Упрочняющие технологии и покрытия. -2009. - № 3. - С. 33-39.
3. Смелянский В. М. К вопросу прогнозирования долговечности деталей машин, упрочненных ППД I В. М. Смелянский, А. В. Журавлев, В. Ю. Блюменштейн II Проблемы повышения качества, надежности и долговечности деталей машин и инструментов : сб. научн. тр. - Брянск, 199і. - С. 70-76.
4. Кречетов А. А. Обеспечение долговечности деталей машин на основе правил технологического наследования !А. А. Кречетов II Материалы всероссийской конф. молодых ученых (5-S дек. 2000 г.): Сборник I ТНЦ СО РАН. - Томск, 2000. - с. 142-143.
5. Трощенко В. Т. Циклические деформации и усталость металлов. В 2 т. Т.1. Малоцикловая и многоцикловая усталость металлов I В.Т. Трощенко [и др.]; под. ред. В.Т. Трощенко. - Киев: Наук. думка, 19S5. - 216 с.
6. ГОСТ 25.507-S5. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. Общие требования.
7. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний : справочник I Л. М. Школьник. - М.: Металлургия, 197S. - 304 с.
S. Блюменштейн В. Ю. Очаг деформации при размерном совмещенном обкатывании как основа физических представлений и решения задач механики технологического наследования I В. Ю. Блюмен-штейн, М. С. Махалов II Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2004, № 4. - С. S3-S9.
□ Автор статьи
Махалов Максим Сергеевич
- канд.техн.наук, доц. каф.
«Технология машиностроения» КузГТУ Тел. S-903-907-45-02
