CC BY
24
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 629.048.6
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫНУЖДЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
© 2011 В.В. Головкин, О.В. Ромашкина
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Поступила в редакцию 10.11.2011
Работоспособность деталей машин зависит от двух основных факторов - физико-механических свойств материала и технологии изготовления.
При работе деталей в условиях переменных нагрузок доминирующим фактором является качество поверхностного слоя, а именно: шероховатость, микротвёрдость и остаточные напряжения.
В данной работе представлены результаты исследования влияния различных видов ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое резьбовых деталей и проведена сравнительная оценка их влияния на работоспособность по предельной амплитуде цикла. Для сравнительной оценки была использована методика 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 [1]. Методика построения диаграммы приведена ниже.
В осях ат -ао строится диаграмма предельных амплитуд цикла для материала резьбового образца (рис. 1). По оси <га откладывается предел выносливости материала при симметричном цикле в случае растяжения-сжатия а_1 = ОА, по оси ат - сопротивление отрыву материала SK = OB. Для ограничения работы материала по текучести по оси абсцисс откладывается предел текучести <тг = ОД и проводится прямая ДС под углом 45° к оси абсцисс. Тогда АСО - диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений материала болта, учитывающая как усталость, так и текучесть.
Рис. 1. Диаграмма предельных амплитуд цикла.
Затем строится диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений для резьбовой детали без учета остаточных напряжений во впадинах резьбы. Наличие концентратора уменьшает предел выносливости
материала при симметричном цикле а.1 в Ка раз, где Ка - эффективный коэффициент концентрации напряжений.
При этом считается, что шероховатость поверхности и размеры поперечного сечения резьбовой детали такие же, как и образца, на котором определяли а_1 , и эффективный коэффициент концентрации не зависит от асимметрии цикла. По оси ординат откладываются а_1/Ка= ОАi и из точки А прово-
дится прямая А1С1 параллельно АВ до пересечения с прямой Д1С1, ограничивающей работу резьбовой детали по текучести. Здесь ОД1 = оТ/аа, где аа - теоретический коэффициент концентрации напряжений. Для прямых А1С1 и Д1С1 можно записать уравнения через известные механические характеристики материала в виде:
а а
—К„ +—К„ = 1,
а а ’
а л
а
а
аа= 1.
аа +
а^т а^т
Точка С1 характеризует начало локальной текучести в наиболее нагруженном сечении резьбовой детали, то есть в области впадины резьбы. Решая совместно данные уравнения, можно определить
_Т
среднее напряжение ат, при котором начинается
локальная текучесть:
Т
Sк (ат -а-1га)
Кгт
аа^к -а-1)
До тех пор, пока напряжения во впадине резьбы не достигнут предела текучести материала ат по всему опасному сечению детали (рис. 2, точка К), предельная амплитуда ааК не будет зависеть от среднего напряжения а„, поэтому диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовой детали без остаточных напряжений опишется ломаной А1С1КД.
Рис. 2. Диаграмма предельных амплитуд цикла с учётом остаточных напряжений.
1006
Механика и машиностроение
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 А2С2КД с растягивающими - ломаной А 3С3КД.
Для построения диаграммы предельных амплитуд цикла детали с учетом остаточных напряжений необходимо решить вопрос о том, на какую величину следует переместить прямую AjCj. Простой перенос точки Ci 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 перемещать точку Ai по оси ординат на величину приращения предела выносливости детали с концентратором при симметричном цикле = АгА2 (А1А3), используя критерий среднеинтегральных остаточных напряжений аост , определяемый по формуле:
ЛС = Ус
с
где ЧСс - коэффициент влияния остаточных напря-
жений на предел выносливости при симметричном цикле,
С ост
2 fi сЖ
к'0 ф_£2
d£,
где С (£)
- осевые остаточные напряжения резьбо-
вой детали в опасном сечении, £ = y /- относительное расстояние от поверхности впадин резьбы до текущего слоя, выраженное в долях t^ (К - критическая глубина ^распространяющейся 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 Аа^, за счет остаточных напряжений во впадинах резьбы в резьбовой детали при любом среднем напряжении ат определяется зависимостью:
ЛСоК
= У?)
С ост
где
)
с
— коэффициент влияния остаточных на-
пряжений на предельную амплитуду при среднем
напряжении ат. Коэффициент
)
с
Т
при ат > Ст
можно вычислить по формуле:
—(т) — С Лс _С)
\j/v ' _ \j/ _1 \ т т/
S С
к ост
При ат < аТ коэффициент у(п) необходимо по-
ложить равным ¥а, что следует из диаграмм предельных амплитуд цикла напряжений резьбовой детали без остаточных и с остаточными напряжениями (рис. 2).
По данной методике были получены представленные ниже диаграммы предельных амплитуд циклов резьбовых образцов, изготовленных из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9 и нержавеющей стали 12Х18Н9Т при введении в зону резания различных по направлению ультразвуковых колебаний (режимы обработки: V = 1 м/мин; t\ = 0,24 мм; t2 = 0,2 мм;
= 0,8 мм/об; f = 20±1 кГц; £ = 5 мкм). Приращение предельной амплитуды цикла получено за счёт остаточных напряжений, наведённых в поверхностном слое впадины резьбы. На рисунках 3, 4, 5 приведены результаты влияния различных видов ультразвуковых колебаний на предельную амплитуду цикла резьбовых образцов.
Из представленных данных видно, что при нарезании резьбы на образцах из титанового сплава ВТ3-1 имеет место увеличение предельной амплитуды цикла в случае обработки с радиальными и осевыми вынужденными ультразвуковыми колебаниями по сравнению с обработкой без использования ультразвука. Введение в зону резания тангенциальных колебаний привело к уменьшению предельной амплитуды цикла.
При обработке нержавеющей стали 12Х18Н9Т значения предельной амплитуды цикла значительно ниже (почти в 2 раза).
При от = 0 предельная амплитуда цикла Оа в зависимости от условий обработки распределялась следующим образом: Оа = 115 МПа - обычное резание;
Рис. 3. Диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовых деталей, изготовленных из титанового сплава ВТ3-1 (1 - обычное резание, 2 - резание с тангенциальными колебаниями, 3 - с осевыми,
4 - с радиальными).
1007
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
Рис. 4. Диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовых деталей, изготовленных из титанового сплава ВТ9 (1 - обычное резание, 2 - резание с тангенциальными колебаниями, 3 - с осевыми,
4 - с радиальными).
Рис. 5. Диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовых деталей, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н9Т (1 - обычное резание, 2 - резание с тангенциальными колебаниями,
3 - с осевыми, 4 - с радиальными). оа = 100 МПа - резание с тангенциальными колебаниями; оа = 180 МПа - резание с осевыми колебаниями; оа = 205 МПа - резание с радиальными колебаниями.
При увеличении значения от (от усилия затяжки) предельная амплитуда цикла пропорционально уменьшается до значений порядка 70 МПа. Следует
отметить, что при значении от > 600 МПа остаточные напряжения не оказывают влияние на приращение предельной амплитуды цикла.
При нарезании резьбы на образцах их титанового сплава ВТ9 значение предельной амплитуды цикла получилось несколько больше и распределяется следующим образом: при от = 0: оа = 130 МПа -обычное резание; оа = 100 МПа - резание с тангенциальными колебаниями; оа = 200 МПа - резание с осевыми колебаниями; оа = 220 МПа - резание с радиальными колебаниями.
Следует также отметить, что действие остаточных напряжений проявляется до значений от < 800 МПа.
При от = 0 получены следующие значения предельной амплитуды цикла: оа = 80 МПа - обычное резание; оа = 70 МПа - резание с тангенциальными колебаниями; оа = 100 МПа - резание с осевыми колебаниями; оа = 110 МПа - резание с радиальными колебаниями.
Действие остаточных напряжений проявляется до значений от <350 МПа.
Таким образом, анализ вышеприведенных данных показывает, что предел вы-носливости зависит от значений остаточных напряжений, и, следовательно, изменяя технологию изготовления резьбы, можно влиять на предел выносливости резьбы с наложением на инструмент вынужденных ультразвуковых колебаний резьбовых деталей. В результате проведенной оценки установлено, что предельная амплитуда цикла изменяется в 1,5 - 1,8 раза, таким образом, при нарезании имеется возможность значительно увеличить ресурс работы ответственных резьбовых деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлов, В. Ф. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений: монография [текст] / В. Ф. Павлов, В.А. Кирпи-чев, В.Б.Иванов. - Самара: «Изд-во СНЦ», 2008. - 64 с.
IMPROVING OF PERFORMANCE OF THREADED PARTS MADE OF DEMANDING MATERIALS WHEN CUTTING THREADS USING INTERNAL ULTRASONIC VIBRATIONS
© 2011 V.V. Golovkin, O.V. Romashkina Samara State Technical University, Samara
1008
