Оценка влияния ультразвука при изготовлении резьбовых деталей на сопротивление усталости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.9.048.6

В. А. Кирпичев, В. В. Головкин, О. В. Каранаева, О. В. Ромашкина

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Аннотация. Приведена сравнительная оценка влияния ультразвука на сопротивление усталости резьбовых деталей. Полученные результаты подтверждают реальные перспективы повышения характеристик сопротивления усталости резьбовых деталей путем изменения различных технологических параметров ультразвуковой обработки.

Ключевые слова: резьбовые детали, ультразвуковая обработка, остаточные напряжения, характеристики сопротивления усталости.

Abstract. Comparison estimation of ultrasound hardening on fatigue resistance of threaded details is studied. The received results confirm real perspectives of fatigue resistance characteristics’ increasing by means of varying different technological parameters of ultrasonic hardening.

Keywords: threaded details, ultrasonic hardening, residual stresses, fatigue resistance characteristics.

Введение

Резьбовые детали, как правило, эксплуатируются при асимметричных циклах со средними растягивающими напряжениями. Выявление связи между средним напряжением от усилия затяжки и предельной амплитудой цикла для резьбовых деталей представляется весьма важным, так как позволяет в значительной мере сократить испытания на усталость.

1. Построение диаграмм предельных амплитуд болтов, изготовленных с ультразвуковыми колебаниями

По результатам исследования меридиональных остаточных напряжений Сф (осевых - в наименьшем сечении) по толщине а поверхностного слоя

впадины резьбы (рис. 1) с использованием методики работы [1] была проведена оценка характеристик сопротивления усталости резьбовых деталей из титанового сплава ВТ16.

Благоприятное влияние сжимающих остаточных напряжений проявляется следующим образом. При асимметричных циклах со средними сжимающими напряжениями предельная амплитуда оа% увеличивается с ростом среднего сжимающего напряжения. Если напряжения от внешних нагрузок в детали меняются по симметричному циклу, а в поверхностном слое детали действуют сжимающие остаточные напряжения, то результирующие суммар-

ные напряжения изменяются по асимметричному циклу со средним сжимающим напряжением.

Рис. 1. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1, ВТ-16:

1 - резание с тангенциальными колебаниями; 2 - обычное резание;

3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями

Макроскопическая природа остаточных напряжений позволяет применить к ней основные уравнения теории упругости. Следовательно, если в детали действуют остаточные напряжения аост и рабочие напряжения Фрад , то

результирующие напряжения будут равны аост + арад (рис. 2, 3), т.е. остаточные напряжения влияют таким же образом, как и статические напряжения, возникающие при приложении внешней силы. Именно поэтому влияние остаточных напряжений на амплитуду оа обычно количественно оценивают с помощью диаграмм живучести типа Хейга или Ганна [2], в которых среднее напряжение цикла om заменяют на полное среднее напряжение.

Рис. 2. Сложение остаточных и рабочих напряжений

Экспериментальные результаты могут быть обработаны по этому методу с использованием соотношения вида

®aR ~ ^-1 p — ^(ост ^ ®m ), (1)

где ст-1 р - предел выносливости резьбовой детали при симметричном цикле в случае растяжения-сжатия; ^ - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений.

Оа

Об От

Рис. 3. Диаграмма Ганна для прогнозирования сопротивления усталости с учетом остаточных напряжений

Однако для выявления связи между остаточными напряжениями и предельной амплитудой оа% необходимо:

- построить диаграмму предельных амплитуд цикла напряжений для материала и реальной детали с учетом концентрации напряжений и масштабного фактора;

- определить коэффициент ^ для различных случаев нагружения;

- установить, какие остаточные напряжения следует принимать в расчетах (максимальные, на поверхности, средние).

Представляется возможным использовать методику построения диаграммы предельных амплитуд цикла напряжений резьбовых деталей с учетом остаточных напряжений, действующих в наиболее нагруженном сечении детали, в которой за основу принята видоизмененная диаграмма Ганна [3].

В осях am - aa строится диаграмма предельных амплитуд цикла для материала детали (рис. 4). По оси оС1 откладывается предел выносливости материала при симметричном цикле в случае растяжения-сжатия ст-1 р = ОА, по оси am - сопротивление отрыву материала Sк = OB. Ограничивая работу материала по текучести, по оси абсцисс откладывается предел текучести а02 = ОD и проводится прямая DС под углом 45° к оси абсцисс. Тогда АСD -

диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений материала детали, учитывающая как усталость, так и текучесть.

Затем строится диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений для резьбовой детали без учета остаточных напряжений во впадинах резьбы.

Во впадине концентратора действует переменное во времени t напряжение от внешних сил (рис. 5). Наличие концентратора уменьшает предел выносливости материала при симметричном цикле ст-1 р в Ка раз, где Ка -

эффективный коэффициент концентрации напряжений.

А

Рис. 5. Напряжения, действующие во впадине концентратора

При этом считается, что шероховатость поверхности и размеры поперечного сечения резьбовой детали такие же, как и образца, на котором опре-

деляли ст_!р , и, кроме того, эффективный коэффициент концентрации не зависит от асимметрии цикла. По оси ординат откладываются ст_1 р /Ка = ОА1

(рис. 6), и из точки Аі проводится прямая АіСі параллельно АВ до пересечения с прямой ^1С1, ограничивающей работу резьбовой детали по текучести. Здесь ОD1 = а0,2/ , где ас - теоретический коэффициент концентрации

напряжений. Для прямых А1С1 и D1С1 можно записать уравнения через известные механические характеристики материала в виде

^ Ka+^mкa= 1; (2)

°_1 р Sк

аа+^~ аа = 1. (3)

а0,2 а0,2

Точка С характеризует начало локальной текучести в наиболее нагруженном сечении резьбовой детали, т.е. в области впадины резьбы. Решая соТ

вместно (2) и (3), можно определить среднее напряжение а т, при котором

начинается локальная текучесть

5К

с \

°0,2 -°-1 рК~

\ У

аа(5К -|

*-1 р

(4)

До тех пор, пока напряжения во впадине резьбы не достигнут предела текучести материала а0 2, по всему опасному сечению детали (рис. 6, точка К),

предельная амплитуда ааК не будет зависеть от среднего напряжения ат, поэтому диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовой детали без остаточных напряжений опишется ломаной АС КБ.

Рис. 6. Диаграмма предельных амплитуд цикла

Далее строится диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений для резьбовой детали с остаточными напряжениями, действующими в ее опасном сечении. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости детали отождествляется с влиянием средних напряжений цикла. Тогда для учета действия сжимающих остаточных напряжений, увеличивающих предельную амплитуду, левую часть диаграммы следует перемещать параллельно вверх до положения А2С2, а для учета действия растягивающих остаточных напряжений - вниз до положения А3С3. Следовательно, для резьбовой детали с сжимающими остаточными напряжениями диаграмма предельных амплитуд цикла будет представлена ломаной А2С2КБ, с растягивающими - ломаной АзСзКБ.

Для построения диаграммы предельных амплитуд цикла детали с учетом остаточных напряжений необходимо решить вопрос о том, на какую величину следует переместить прямую Л]С]_. Простой перенос точки С по оси

абсцисс на величину максимальных остаточных напряжений неправомерен, так как не учитывает характер распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя впадин резьбы и масштабный фактор. Поэтому было предложено [3] перемещать точку А1 по оси ординат на величину приращения предела выносливости детали с концентратором при симметричном цикле Да_ір = АіА2 КіА3), используя критерий среднеинтегральных остаточных напряжений Фост, определяемого по формуле [4]

Дст-1 =?о|аост|, (5)

где - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости при симметричном цикле;

(6)

-Л

0

а2 (^) - осевые остаточные напряжения резьбовой детали в опасном сечении; ^ = у / ^кр - относительное расстояние от поверхности впадин резьбы до

текущего слоя, выраженное в долях ^ - критическая глубина нераспро-страняющейся трещины усталости.

Следует отметить, что критерий аост учитывает влияние на сопротивление усталости как характера распределения остаточных напряжений в опасном сечении, так и размеров поперечного сечения детали.

Приращение предельной амплитуды Аоая за счет остаточных напряжений во впадинах резьбы в резьбовой детали при любом среднем напряжении ат определяется зависимостью

Аа аЯ =¥(ат) 1аост1, (7)

где ^а - коэффициент влияния остаточных напряжений на предельную амплитуду при среднем напр но вычислить по формуле

плитуду при среднем напряжении ат . Коэффициент при ат > <зТ т мож-

Т

_(т) — а-1 р (ат — ат)

¥а -¥а---------- !----------, (8)

^К |аост|

полученной из геометрических соображений с использованием данных рис. 6. При ат < а’т коэффициент ^0^ необходимо положить равным ^а, что следует из диаграмм предельных амплитуд цикла напряжений резьбовой детали без остаточных и с остаточными напряжениями.

По данной методике была получена представленная на рис. 7, 8 диаграмма предельных амплитуд цикла болтов из сплава ВТ 16, изготовленных при наложении различных ультразвуковых колебаний. При этом использовались следующие механические характеристики сплава ВТ16: аа = 1180 МПа,

а0 2= 920 МПа, 5 = 19 %, у = 67 %, SK = 1900 МПа, а-1 р = 480 МПа. Для

наружной резьбы М6 при радиусе впадин р = 0,17 мм теоретический коэффициент концентрации напряжений аа = 6,2 [5], а эффективный коэффициент концентрации Ка был принят Ка = 6. Следует отметить, что значения аа и Ка близки, и поэтому можно принять Ка = аа, что приведет

к расчету в запас прочности с несущественным отклонением. Диаметр опасного сечения детали d = 4,7 мм, что соответствует диаметру впадин резьбы М6. Значение ^р составляет 0,1 мм и хорошо согласуется с зависимостью

^р = 0,0216d [6], а коэффициент фа для болтов из сплава ВТ 16 составляет Фа = 0,11 [1].

изготовленных с различными ультразвуковыми режимами:

1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями; 3 - резание с радиальными колебаниями; 4 - резание с осевыми колебаниями

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 стт

Рис. 8. Диаграмма предельных амплитуд цикла болтов из сплава ВТ 16,

изготовленных с различными ультразвуковыми режимами:

1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями; 3 - резание с радиальными колебаниями; 4 - резание с осевыми колебаниями

Заключение

Используя диаграмму предельных амплитуд цикла при известных фа и 0ост, можно определять предел выносливости резьбовых деталей при любой асимметрии цикла, а изменяя технологию изготовления резьбы, представляется возможным изменять предел выносливости, который может варьироваться в широких пределах, в данном случае - от 124 до 212 МПа, т.е. почти в два раза.

Список литературы

1. Иванов, С. И. Технологические остаточные напряжения и сопротивление усталости авиационных резьбовых деталей / С. И. Иванов, В. Ф. Павлов, Г. В. Коновалов, Б. В. Минин. - М. : Отраслевая библиотека «Технический прогресс и повышение квалификации» МАП, 1992. - 192 с.

2. Форрест, П. Усталость металлов / П. Форрест. - М. : Машиностроение, 1968. -352 с.

3. Павлов, В. Ф. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости при асимметричном цикле в случае растяжения - сжатия / В. Ф. Павлов, В. А. Кирпи-чев, Б. В. Минин, В. И. Лапин // Известия вузов. Машиностроение. - 1989. - № 8. -С. 14-18.

4. Павлов, В. Ф. Влияние характера распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали на сопротивление усталости / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. - 1987. - № 7. - С. 3-6.

5. Биргер, И. А. Резьбовые соединения / И. А. Биргер, Г. Б. Иосилевич. - М. : Машгиз, 1973. - 256 с.

6. Павлов, В. Ф. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений / В. Ф. Павлов, В. А. Кирпичев, В. Б. Иванов. - Самара : Изд-во СНЦ, 2008. - 64 с.

Кирпичев Виктор Алексеевич доктор технических наук, профессор, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет

E-mail: sopromat@ssau.ru

Головкин Валерий Викторович

кандидат технических наук, доцент, кафедра инструментальных систем и сервиса автомобилей, Самарский государственный технический университет

E-mail: isap@samgtu.ru

Каранаева Оксана Валериевна

кандидат технических наук, доцент, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет

E-mail: karanaeva@mail.ru

Kirpichyov Viktor Alekseevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of strength of materials, Samara State Aerospace University

Golovkin Valery Viktorovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of tooling systems and automobile service, Samara State Technical University

Karanaeva Oksana Valeryevna Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of strength of materials,

Samara State Aerospace University

Ромашкина Оксана Викторовна

ассистент, кафедра инструментальных систем и сервиса автомобилей, Самарский государственный технический университет

E-mail: isap@samgtu.ru

УДК 621.9.048.6 Кирпичев, В. А.

Оценка влияния ультразвука при изготовлении резьбовых деталей на сопротивление усталости / В. А. Кирпичев, В. В. Головкин, О. В. Кара-наева, О. В. Ромашкина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4 (16). - С. 142-150.

Romashkina Oksana Viktorovna Assistant, sub-department of tooling systems and automobile service, Samara State Technical University