CC BY
13
УДК 669.017:621.73
Канд. техн. наук I. В. Пономаренко Харювський нацюнальний автомобтьно-дорожнш уыверситет, м. Харкiв
П1ДВИЩЕННЯ КОНСТРУКТИВНО! М1ЦНОСТ1 ШАТУННИХ БОЛТ1В 1ОННИМ БОМБАРДУВАННЯМ
Розглянуто вплив Iонного бомбардування титаном намехатчт властивостг шатунних болтгв. Встановлено, що така обробка значно тдвищуе конструктивну мщнгсть виробгв, особливо тих, що мають конструктивнг концентратори напружень: ав зростае на 69 %, ад2 - на 84 % при збереженнг показнишв пластичностг.
Ключовi слова: конструктивна мщнгсть, конструктивы концентратори напружень, шатунний болт, Iонне бомбардування.
Вступ
Рiзьбовi з'еднання широко використовуються в рiзних конструкщях машин i механiзмiв та складають 15-20 % ввд загально! шлькосп з'еднань [1]. Сучасний легковий автомобшь мютить вiд 2000 до 3500 болпв, з них близько 300 вщграють важливу роль в забезпечент його надiйностi. Серед останнiх особливо видiляють шатуннi болти, руйнування яких може призвести до виходу з ладу всього агрегату. Саме тому !х виготовля-ють вельми ретельно, з плавними переходами м1ж еле-ментами конструкцп i наступною термообробкою (по-кращення).
Аналiз публiкацiй
Аналiз характеру вiдмов цих деталей показав, що незважаючи на значнi конструктивш концентратори напружень тальки ~ 20 % з них носять втомний характер [2].
В процесi роботи шатунт болти тддаються змiнним навантаженням одного знаку, основними з яких е сила шерцп мас, що рухаються поступально: поршня i шатуна, а також, вiдцентрова сила мас, що обертаються, роз-ташованих над площиною роз'ему кривошипно! головки [3].
При недостатнш жорсткосп елементiв шатунно! гру-пи опорнi поверхнi головки i гайки болта можуть пере-кошуватися, що призводить до його вигину i, отже, ви-никнення ввдповвдних напружень, додатково ускладню -ючи умови роботи.
Стрижт болтiв мають проточки в мюцях переходу до рiзьбово! частини та поблизу головок. Це збшьшуе !х податливiсть i пристосовуванiсть при порушенш суво-ро! паралельностi мiж площинами прилягання шатунних гайок з вщповщними поверхнями шатуна, а отже, попереджае i можливий перенатяг нарiзей. Проточки роблять без шдгав з дiаметром, що дорiвнюе внутрш-ньому дiаметру рiзьби болта. У той же час довжина проточено! поверхт не в повнiй мiрi розвантажуе його рiзьбову частину. В деяких випадках напруження вигину можуть становити 25-30 % напружень розтягнення,
що виникають при затягувант. Зазначенi чинники значно знижують втомну мiцнiсть таких деталей [3].
При робоп двигуна сили шерцп прагнуть розiрвати болти. У зв'язку з цим рiвень !х затягування повинен забезпечити щiльнiсть з'еднання.
На пiдставi аналiзу умов роботи та особливостей конструкцп шатунних болтав двигуна ЗМЗ-406, можна зробити висновок про необхвдшсть забезпечення !х ви-соко! конструктивно! мiцностi.
Попереднi дослiдження метсдав обробки, що забез-печують тдвищення конструктивно! мiцностi деталей машин [4] дали основу для вибору юнного бомбардування як найбшьш ефективного способу.
Мета та постановка задачi
Метою роботи е встановлення впливу юнного бомбардування на показники конструктивно! мщносп ста-левих виробiв з конструктивними концентраторами напружень (на приклада шатунних болтав).
Матерiал i методика дослiджень
Дослвдження проводили на шатунних болтах двигуна ЗМЗ-406, виготовлених зi стада 40ХН. У розглянутш конструкцi! кришка кривошипно! головки крiпиться до шатуна двома болтами. Останш е одночасно установ-чими, забезпечуючи однозначне положения кришки щодо шатуна. Це висувае висош вимоги до точностi !х обробки, а також отворiв щд них в голiвцi. Тому ва болти мають шлiфовану посадкову частину. Дослiдження здiйснювали на партп болтiв (10 шт.), яку придбали у офiцiйного дилера заводу, що служило запорукою не-обх1дного рiвня якосп, встановленого технiчною доку-ментащею.
Механiчнi властивостi визначали при випробуван-нях на розтяг на утверсальнш машинi моделi УИМ-50 (максимальне навантаження 10 тс). Швидк1сть наванта-ження болтiв при випробуваннях вiдповiдала 20 мм/хв (за стандартом [5] не бшьше 25 мм/хв). Щоб уникнути бокового навантаження зразка використовували само-ценгрувальнi затискачi розривно! машини.
© I. В. Пономаренко, 2013 108
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХМАТЕР1АЛ1В
У продес випробувань записували крив1 в координатах Р-Д/, а пот1м за ними знаходили Р { Рл „.
5 ^ тах 0,2
Номшальний д1аметр нар1зей розглянутих болта d = 10 мм, а крок - 1 мм. Розрахунок показниюв м1диосп виконувався за номшальною площею поперечного пе-рер1зу [5], а середнш д1аметр р1зьби d2 \ виутршнш д1а-метр р1зьби d3 за формулами (ГОСТ 24705-81. Резьба метрическая. Основные размеры).
Параметри юнного бомбардування (1Б) вибирали таким чином, щоб не допустити перегр1ву витгав на-р1зей та зпдно з рекомендащями, наведеними в [4]. За-гальна тривалють обробки для першого режиму 1Б ста-новила 4 хв, для другого - 2 хв. Болти тсля обробки витримували у вакуумнш камер1 протягом 30 хв, для виключення можливого окиснення поверхш.
Теорiя та анал1з отриманих результатов
Дослщжуват шатунт болти двигуна до обробки та тсля 1Б зображеш на рис. 1.
Рис. 1. Шатунт болти двигуна ЗМЗ-406 у вихщному CTaHi (а) та тсля 1Б (б)
Як видно з представленого рисунка при 1Б одночас-но з розпиленням поверхш болта вщбуваеться осад-ження титану (головним чином у вигляд1 крапель), що i викликае змiну кольору !х поверхнi.
Кривi розтягання шатунних болта у вихщному станi та тсля 1Б за двома режимами, представлен на рис. 2.
У результат розрахунку були отриманi так значен-ня меxанiчниx характеристик для болта у вихщному станi: тимчасовий отр 574 МПа, умовна границя теку-чостi 443 МПа (середнi арифметичт вибiрки).
Проведення 1Б за першим режимом, дозволило тдвищити Ge на 25 % (з 574 до 718 МПа), Go 2 на 37 % (з 443 до 607 МПа), за другим режимом - g на 69 % (до 970 МПа), Go 2 на 84 % (до 815 МПа) ввдювщно. При цьому другий режим 1Б забезпечуе мшмальне розаю-вання мехатчних характеристик як у жрвнянт з вихь дним станом, так i з першим режимом 1Б. Показник пластичностi 8 практично не змшився, незважаючи на таке значне змщнення. Бiльш висок значення мiцностi пiсля 1Б за другим режимом пов'язан з меншою трива-лiстю обробки (нагрiву) витков рiзьби, якi мають малий поперечний перерiз i, отже, бiльш схильних до процесу
довщпус^.
р 70000
н
60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
--3 /2
i / У / / ч / \ L ч
/ '/ / N /
■Г > ч S
;
и
Д|, мм
Рис. 2. Крив1 розтягання шатунних божив у виxiдному стан та тсля 1Б за двома режимами: 1 - вихщний стан;
2 - перший режим 1Б; 3 - другий режим 1Б
Висновки
Запропонований споаб забезпечуе унiкальне тдви-щення конструктивно! мiцностi виробiв, яке не досяга-лося жодною iз вщомих комбiнованиx обробок, вщно-ситься до ресурсозбер^аючих теxнологiй i е еколопчно безпечним. На основi отриманих результата було от-римано Патент Украши на корисну модель [6].
Список лтерату ри
1. Гельфанд М. Л. Сборка резьбовых соединений / М. Л. Гельфанд, Я. И. Ципенюк, О. К. Кузнецов. - М. : Машиностроение, 1978. - 109 с.
2. Косырев С. П. Повышение надежности шатунных болтов высокофорсированных дизелей / С. П. Косырев, А. В. Разуваев, Л. А. Сорокина // Двигателестроение. -2001. - № 4. - С. 5-6.
3. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей : учеб. пособие для вузов / А. И. Колчин, В. П. Демидов. - [2-е изд.]. - М. : Высш. школа, 1980. - 400 с.
4. Дьяченко С. С. Возможности получения наноструктуры в массивных изделиях и влияние наноструктуриро-вания на их свойства / С. С. Дьяченко, И. В. Пономарен-ко, В. А. Золотько // Физическая инженерия поверхности. - 2009. - Т. 7, № 4. - С. 385-396.
5. Болти, гвинти i шпильки. Номшальт довжини та дов-жини нар1з1в болт1в загального призначення : ДСТУ ISO 888:2005.
6. Патент Украши на корисну модель 55911, МПК С 2104. Споаб тдвищення конструктивно! мщност сталевих вироб1в / Пономаренко I. В., Д'яченко С. С., Подригало М. А., Лобанов В. К., Пашкова Г. I.; Харювський нацю-нальний автомобыьно-дорожнШ ушверситет. -№ u201008421 ; заявл. 05.07.10 ; опубл. 27.12.10, Бюл. № 24.
Одержано 27.12.2013
а
б
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepimи i технологп вметалурги та машинобудуванш№2, 2013
109
Пономаренко И.В. Повышение конструктивной прочности шатунных болтов ионной бомбардировкой
Рассмотрено влияние ионной бомбардировки титаном на механические свойства шатунных болтов. Установлено, что такая обработка значительно повышает конструктивную прочность изделий, особенно с конструктивными концентраторами напряжений: ав возрастает на 69 %, ад2 - на 84 % при сохранении показателей пластичности.
Ключевые слова: конструктивная прочность, конструктивные концентраторы напряжений, шатунный болт, ионная бомбардировка.
Ponomarenko L Improving structural strength of connecting-rod bolts
The effect of titanium ion bombardment on the mechanical properties of connecting-rod bolts is considered. It is found that such treatment significantly increases items structural strength, especially those that have structural stress concentrators: ав increases by 69 %, ад2 - by 84 % without decreasing ductility.
Key words: structural items strength, structural stress concentrators, connecting-rod bolt, ion bombardment.
УДК 669.295:621.431.75
Канд. техн. наук Т. А. Коваленко АО «Мотор Сич», г. Запорожье
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТАРЕНИЕ а + в - ТИТАНОВОГО СПЛАВА
Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии на старение сложнолегированного титанового сплава ВТ25У. Показано, что распад метастабильных фаз сплава ВТ25У протекает непосредственно при интенсивной деформации при более низких температурах, чем при стандартном структурном состоянии сплава, с образованием дисперсной а+в структуры с повышенной твердостью.
Ключевые слова: титановый сплав, винтовая экструзия, субмикрокристаллическая структура, старение, метастабильная фаза, распад.
Ведение и цель работы
На протяжении более чем 50-ти лет титановые сплавы успешно применяются для ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД). За эти годы накоплен значительный опыт в области металловедения и технологий изготовления полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов. Механические свойства существующих титановых сплавов имеют достаточно широкий интервал разброса и в отдельных случаях уже не отвечают новым требованиям, предъявляемым к предельно нагруженным деталям газотурбинных двигателей нового поколения (моноколеса, компрессорные рабочие лопатки и диски).
Анализ публикаций позволил сделать вывод о том, что набор легирующих элементов в титановых сплавах остается одинаковым в течение многих лет, недостаточно сведений о разработках новых режимов их термообработки. Как показано в работе Н.А. Ночовной [1], проблемы титановых сплавов могут быть решены на основе создания сплавов с нестандартной кристал-
© Т. А. Коваленко, 2013
лической структурой. К таким технологиям, позволяющим получить принципиально новое структурное состояние с повышенными механическими свойствами, можно отнести технологию интенсивной пластической деформации (ИПД), позволяющую измельчить структуру до субмикрокристаллических (СМК) и нанораз-меров.
В ранее проведенных исследованиях [2-4] показана эффективность ИПД для титановых сплавов, определены температуры структурных и фазовых превращений СМК титана, температуры рекристаллизации и полиморфного превращения СМК титановых сплавов. Ус -тановленные особенности позволили предположить, что кинетика старения субмикрокристаллических титановых сплавов также может изменять свой характер под влиянием ИПД, что особенно актуально в условиях формирования СМК структуры в предварительно закаленных сплавах типа ВТ25У [5]. Кроме того, о возможном изменении механизмов фазово-структурных превращений под влиянием ИПД неоднократно отме-
