CC BY
15
УДК 62.-233.1: 621.7.075
Е. В. Вишнепольский, Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон
ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МЕСТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКАХ АЛМАЗНЫМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ
Предложен метод повышения сопротивления усталости мест концентрации напряжений на тонкостенных валах алмазным выглаживанием. Установлено влияние режимов алмазного выглаживания на характеристики поверхностного слоя и предел выносливости. Даны рекомендации по определению оптимального режима выглаживания.
Конструкции валов ГТД содержат конструктивные концентраторы напряжений, создаваемые переменным диаметром внутренней и наружной поверхностей, радиальными (на цилиндрической поверхности) и осевыми (на фланце) отверстиями [1].
Повышение выносливости конструкции может быть достигнуто путем упрочнения мест концентрации напряжений [2-3]. Обработка отверстий на поверхности вала сопровождается рядом трудностей, главной из которых является нетехнологичность, так как приходится по отдельности выглаживать наружную поверхность вала и отверстие (рис. 1, исполнение 1). Для обеспечения технологичности обработки, без ухудшения эксплуатационных свойств, место сопряжения поверхностей отверстия и вала делают скругленным (рис. 1, исполнение 2).
При этом скругление поверхности сопряжения отверстия и вала сдвигает максимум напряжений вглубь отверстия (рис. 1, в), снижая величину концентрации напряжений по сравнению с незакругленными кромками (рис. 1, б). Концентрация напряжений, создаваемая отверстиями, практически не меняется при деформационном упрочнении внутренней или наружной поверх-
ности. Следовательно, упрочнению необходимо подвергать непосредственно поверхность сопряжения отверстия и вала.
Разработанное специальное устройство (рис. 2) позволяет сначала сделать резцом скругление поверхности сопряжения отверстия и вала, а затем, после замены резца на индентор, выполнить алмазное выглаживание.
Для создания одинакового скругления по периметру отверстия на поверхности вала сошли -фовывается площадка (рис. 3), в пределах допуска на диаметр.
Для внедрения технологии упрочнения скруг-ления кромки отверстия и вала необходимо определить оптимальные значения силы, подачи и скорости выглаживания. При этом в качестве контролируемых выходных параметров были приняты шероховатость, микротвердость, степень наклепа поверхности.
Обработка выполнялась на токарном станке индентором радиусом 2,5 мм. В качестве образцов использовали кольца шириной 10 мм (рис. 4), поверхность которых легко проконтролировать после выглаживания. Полученные результаты были использованы в качестве базовых для выглаживания кромок отверстий.
а
в
Рис. 1. Упрочняемый элемент отверстия
а — варианты получения поверхности сопряжения отверстия и вала б — эпюра концентрации напряжений у поверхности сопряжения отверстия и вала типа «острая кромка»; в — эпюра концентрации напряжений у поверхности сопряжения отверстия и вала, выполненного в виде радиуса
© Е. В. Вишнепольский, Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон, 2009
Рис. 2. Схема устройства для алмазного выглаживания
Рис. 3. Площадка на поверхности вала для создания одинакового скругления
Результаты измерений при различных режимах выглаживания приведены в таблице 1.
На основании полученных данных построены графики зависимостей параметров поверхностного слоя от режимов выглаживания (рис. 5). Направление разброса точек показывает на наличие корреляционных зависимостей.
10
Рис. 4. Образец для исследования параметров алмазного выглаживания
Анализ результатов показывает, что основное влияние на параметры поверхностного слоя оказытают сила выплаживания и подача. При увеличении силы выплаживания со 100 до 400 Н микротвердость и степень наклепа увеличились на 40%. При увеличении подачи произошло ухудшение шероховатости и снижение микротвердости. Скорость выплаживания не оказала существенного влияния на параметры поверхностного слоя. В качестве оптимальных режимов выплаживания можно рекомендовать силу выплаживания 400 Н, скорость выплаживания 150 Пм/мин, подачу 0,07 мм/об.
Так как предполагается упрочнять отверстия диаметром от 4 Пмм, а геометрические размеры индентора радиусом 2,5 мм это сделать не позволяют, то выплаживание вытолняли индентором радиусом 0,5 мм.
Для обеспечения при упрочнении оптимальных давлений быши вытолнены расчеты силы выплаживания при обработке индентором радиусом 0,5 мм на основании результатов обработки индентором радиусом 2,5 мм. Кроме этого, быша уменьшена скорость, чтобы температура в зоне контакта быша идентичной температуре при упрочнении индентором радиусом 2,5 мм.
Таблица 1 — Режимы обработки и параметры поверхностного слоя образцов, упрочненныж алмазным выплаживанием
№ режима Сила выглаживания, Н Скорость выглаживания, м/мин Подача индентора, мм/об Параметр шероховатости Ra, мкм Микротвердость, МПа Степень наклепа, Uh , % Глубина наклепа, мкм
1 Обработка по заводской технологии шлифованием 0,8 3800 - -
2 100 80 0,07 0,59 3950 4 10
3 200 30 0,07 0,40 4530 20 Не измер.
4 200 80 0,07 0,30 4460 17 25
5 200 80 0,05 0,28 4550 21 Не измер.
6 200 80 0,12 0,49 4180 10 Не измер.
7 200 120 0,07 0,38 4480 18 Не измер.
8 200 150 0,07 0,32 4300 13 Не измер.
9 300 80 0,07 0,25 4350 14 Не измер.
10 400 30 0,07 0,70 4350 14 Не измер.
11 400 80 0,07 0,35 4920 30 35
12 400 120 0,07 0,41 5300 40 Не измер.
13 400 150 0,07 0,30 5020 32 40
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
- 91 -
Рис. 5. Влияние режимов выглаживания на параметры поверхностного слоя
а — влияние режимов резания на шероховатость Яа (мкм); б — влияние режимов резания на микротвердость НУ (МПа)
Дальнейшие исследования проводили при обработке отверстий. Для этого были изготовлены плоские образцы (рис. 6), имитирующие конструктивный концентратор напряжений. Параметры образцов были рассчитаны на ПЭВМ с использованием программного комплекса АМБУБ ^ЬгкВепсИ. Обработку отверстий выполняли на разработанном устройстве (рис. 2). Упрочнение производили по следующему маршруту: на первом этапе производили скругление поверхности сопряжения отверстия и вала на сверлильном станке, второй этап — алмазное выглаживание поверхности сопряжения отверстия и вала на том же оборудовании. Конструкция оправки и гео-
метрия отверстия позволяют упрочнить зону максимальной концентрации напряжений.
Исследования проводили как при однопроходной обработке, так и при двухпроходной с различными режимами на каждом проходе. Режимы обработки приведены в табл. 2.
Испытания для определения предела выносливости проводили по стандартной методике [5] на полной базе N0 = 2 х 107 циклов (рис. 7). Первый уровень нагружения для исходных образцов — ст = 370 МПа, для упрочненных образцов — ст = 460 МПа, ступень нагружения — Аст = 30 МПа. Результаты испытаний на усталость приведены в табл. 3.
Таблица 2 — Режимы обработки
№ Геометрия Количество Сила Скорость выглаживания, м/мин Подача,
партии кромки проходов выглаживания, Н мм/об
1 Я = 1,5 мм Обработка кромки образца по заводской
технологии - вручную полированием
2 Я = 1,5 мм 1 30 1,88 0,05
3 Я = 1,5 мм 2 60 1,88 0,05
30 2,51 0,03
4 Я = 1,5 мм 2 120 1,88 0,05
60 2,51 0,03
5 Я = 1,5 мм 2 30 2,51 0,03
60 1,88 0,05
Эффективность пластического деформирования поверхностного слоя оценивали степенью наклепа ин
Измерение микротвердости упрочненной поверхности сопряжения отверстия с плоскостью образца производили по общеизвестной методике на прямоугольных образцах (рис. 8).
Значения микротвердости и степени наклепа приведены в табл. 3.
Рис. 7. Схема испытаний на усталость
Рис. 8. Образец для измерения микротвердости
Таблица 3 — Результаты исследования характеристик поверхностного слоя и предела выносливости образцов, упрочненных алмазным выглаживанием
№ режима Радиус округления кромки Кол-во проходов Сила выглаживания, Н Скорость выглаживания , м/мин Подача, мм/об Микротвердость, МПа Степень наклепа, % Предел выносливости, а-1, МПа Шероховатость Яа, мкм
1 Я = 1,5мм Обработка кромки образца по заводской технологии - вручную полированием 3760 - 400 0,65
2 Я = 1,5мм 1 30 1,88 0,05 4460 20 490 0,3
3 Я = 1,5мм 2 60 1,88 0,05 4660 25 520 0,2
30 2,51 0,03
4 Я = 1,5мм 2 120 1,88 0,05 3960 5 490 0,34
60 2,51 0,03
5 Я = 1,5мм 2 30 2,51 0,03 4600 22 520 0,23
60 1,88 0,05
ТЗЗМ1727-0219 Вестник ддвигателеатроения № 1/2009
- 93 -
Применение двухпроходной обработки (режимы 3, 5) позволило увеличить предел выносливости и уменьшить шероховатость по сравнению с однопроходной.
Варьирование усилием выглаживания на 1 и 2 проходах (режим № 3 и № 5) показало, что нет различий в полученных результатах шероховатости и предела выносливости. При увеличении силы до 120 Н (режим № 4) произошло существенное ухудшение характеристик поверхностного слоя и предела выносливости: шероховатость ухудшилась до Яa = 0,34 мкм, степень наклепа уменьшилась почти до исходной 5%, предел выносливости снизился до 490 МПа, что связано с перенаклепом поверхности.
На основании проведенных исследований установлено, что лучший результат дает двухпро-ходная обработка. В качестве оптимальных можно рекомендовать обработку с режимами: при первом проходе — сила выглаживания 60 ПН, скорость выглаживания 1,88 м/мин, подача 0,05 мм/об; при втором проходе сила — выглаживания 30 Н, скорость выглаживания 2,51 м/мин, подача 0,03 Пмм/об. При этом степень наклепа увеличилась на 25%, шероховатость уменьшилась с Яa = 0,65 мкм до Яa = 0,2 мкм и предел выносливости возрос на 25% по сравнению с исходным образцом.
Выводы
1. Алмазное выглаживание скругления сопряжения отверстия и вала с помощью разработанного устройства позволило повысить прочностные характеристики мест концентрации напряжений.
2. Установлено, что основное влияние на параметры поверхностного слоя оказывают сила выглаживания и подача. При увеличении силы выг-
лаживания со 100 до 400 Н микротвердость и степень наклепа увеличилась на 40%. При увеличении подачи произошло ухудшение шероховатости и снижение микротвердости. Скорость выглаживания не оказала существенного влияния на параметры поверхностного слоя.
3. Установлено, что двухпроходная обработка более эффективна, чем однопроходная. В качестве оптимальных режимов упрочнения отверстия можно рекомендовать: при первом проходе — сила выглаживания 60 Н, скорость выглаживания 1,88 м/мин, подача 0,05 мм/об; при втором проходе — сила выглаживания 30 Н, скорость выглаживания 2,51 м/мин, подача 0,03 мм/об. Обработка по данному режиму мест концентрации напряжений позволяет повысить предел выносливости образцов на 25 % по сравнению с исходным образцом.
Перечень ссылок
1. Богуслаев В. А. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД / В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, В. Ф. Притченко. — М. : Машиностроение, 1993. — 338 с.
2. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / [В. К. Яценко, Г. З. Зайцев , В. Ф. Притченко и др.]. — М. : Машиностроение, 1985. — 232 с.
3. Торбило В. М. Алмазное выглаживание / В. М. Торбило. — М. : Машиностроение, 1972. — 106 с.
4. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях / Коллинз Дж. ; [пер. с англ. А. М. Васильева]. — М. : Мир, 1984. — 624 с.
5. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний / Л. М. Школьник. — М. : Металлургия, 1978. — 305 с.
Поступила в редакцию 12.02.2009
Запропоновано методику тдвищення опору втоми мкць концентраци напружень на тонкосттних валах алмазним вигладжуванням. Встановлено вплив режимiв алмазного вигладжування на характеристики поверхневого шару та межу витривалост1 Дано реко-мендацп по визначенню оптимального режиму вигладжування.
The method of diamond burnishing to increase resistance to fatigue in the places with tension concentration on the thin-walled shafts is described. The influence of diamond burnishing modes on the surface layer characteristics and endurance limit is established. The recommendations to define the optimum burnishing mode are given.
