CC BY
23
СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
УДК [621.785.5:004.45]:[620.178.3:629.5.083]
Динь Дык Лок
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ СУДОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РЕМОНТЕ
Рассмотрен вопрос определения параметров упрочнения судовых деталей. Использован расчетный метод для определения параметров упрочнения без проведения трудоемких усталостных испытаний на образцах и опытных деталях. Исследование проведено на образцах различных диаметров и опытных зубчатых колесах модулем 6 мм, упрочняемых различными методами. Проанализированы результаты исследований и подтверждена целесообразность использования расчетного метода для исследования влияния параметров упрочнения на циклическую прочность деталей. По результатам исследований разработан алгоритм расчета параметров упрочнения. Для реализации алгоритма использовано натурное зубчатое колесо модулем 10 мм, изготовленное из стали 20ХН3А. По предложенному алгоритму определены оптимальные параметры упрочнения: глубина слоя 2,0... 2,2 мм и твердость поверхности 60.. .62 ЖС. Величина эффекта упрочнения при данных параметрах упрочнения составляет 1,72. Отмечено, что в результате цементации очаг разрушения переходит с поверхности в подслойную зону. Сделан вывод о том, что предложенный алгоритм позволяет определить параметры упрочнения и эффект упрочнения деталей без проведения усталостных испытаний. Это способствует повышению производительности труда и снижению затрат на производство.
Ключевые слова: судовые детали, параметры упрочнения, усталостные испытания, циклическая прочность, цементация, эффект упрочнения, очаг разрушения.
Введение
Применение методов упрочнения позволяет повысить прочность и долговечность деталей машин в несколько раз. Однако при неоптимальной и неправильной технологии прочность деталей становится ниже предела прочности неупрочненных деталей, поэтому определение оптимальных параметров упрочнения при разработке технологии упрочнения актуально.
На судоремонтных предприятиях параметры упрочнения определяются по справочным данным или по результатам длительных усталостных испытаний. Это обусловливает значительную трудоемкость и большие затраты на подготовку производства. В [1, 2] предложена теория, которая позволяет определить параметры упрочнения расчетным методом без проведения длительных трудоемких испытаний на образцах и опытных деталях. Дальнейшее развитие теория нашла в [3, 4]. Нами была разработана методика расчета оптимальных параметров упрочнения и величины эффекта упрочнения. Сущность методики заключается в анализе взаимного расположения эпюр изменения по сечению детали механических свойств, остаточных и рабочих напряжений. Эффект упрочнения определяется при касании на эпюре кривых распределения предела выносливости и рабочих напряжений. Параметры упрочнения являются оптимальными только тогда, когда величина эффекта упрочнения достигает максимального значения.
Экспериментальные исследования
В [1, 2] описаны исследования влияния параметров упрочнения на циклическую прочность круглых образцов различных диаметров, упрочняемых обкаткой и нитроцементацией. В [3, 4] приведены результаты исследований влияния параметров упрочнения и других факторов на циклическую прочность образцов диаметром 10 и 20 мм и опытных зубчатых колес модулем 6 мм, изготовленных из низкоуглеродистой стали 12ХН3А. Образцы и опытные колеса упрочняются цементацией на различную глубину (составляющую 0,2.0,24 от характерного размера детали) и имеют поверхностную твердость 60.62 НЯС. В результате анализа опреде-
лена величина эффекта упрочнения и оптимальные параметры упрочнения. Результаты, полученные расчетным и экспериментальным методами, сходны, что подтверждают целесообразность использования предложенной нами методики для определения оптимальных параметров упрочнения и эффекта упрочнения.
Нами, по результатам исследований, разработан следующий алгоритм расчета оптимальных параметров упрочнения и эффекта упрочнения.
1. Исследовать распределение рабочих напряжений от действующих сил по опасному сечению деталей. Для исследования используются эмпирические формулы сопротивления материалов или специальные компьютерные программы.
2. Исследовать распределение микротвердости по упрочненному слою на образцах-свидетелях. Исследование проводится на микрошлифах. Технические требования к микрошлифам и методика проведения испытаний предусмотрены в ГОСТ 9450-76.
3. Исследовать распределение остаточных напряжений, возникающих в результате механической, термической и химико-термической обработки, по опасному сечению деталей. Для исследования могут быть использованы механические и физические методы. Выбор метода зависит от вида и характера распределения остаточных напряжений. Могут быть применены также современные электронные приборы, принцип работы которых основан на взаимосвязи между электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов.
4. По результатам исследований построить эпюры распределения микротвердости, остаточных и рабочих напряжений по сечению детали.
5. Величина эффекта упрочнения определяется при касании эпюр распределения предельных рабочих напряжений и предельных амплитуд напряжений. Глубина слоя, величина твердости и остаточных напряжений, при которых величина эффекта упрочнения достигает максимального значения, являются оптимальными параметрами упрочнения.
Пример реализации алгоритма
Для реализации алгоритма расчета используется натурное зубчатое колесо модулем 10 мм передач, которое передает мощность от главных двигателей к гребному винту. Конструкция зубчатого колеса приведена на рис. 1.
Л’гХи .
Модуль нормальный т„ 10
Число зубьев I 52
Нормальный исходный контур - ГОСТ 13755-81
Угол наклона зуба в 8° 06' 34'
Коэффициент смещения - 0
Степень точности по ГОСТ 1643-81 - 7
Делительный диаметр D 525
+ 0,031 0,031
1. Н 14; h 14; ± 1Т 14/2
2. Глубина цементованного слоя: 2...2,2 мм
3. Твердость поверхности: 60...62 HRC
Рис. 1. Чертеж зубчатого колеса модулем 10 мм
Зубчатое колесо изготовлено из стали 20ХН3А, химический состав и механические свойства которой приведены в таблице.
Химический состав и механические свойства стали 20ХН3А
Марка материала ГОСТ 4543-71 Химический состав и механические свойства
Сталь 20ХН3А Массовая доля элементов, %
С Мп 8І Сг № Р 8 Си
0,17.0,24 0,30.0,60 0,17.0,37 0,60.0,90 2,75.3,15 < 0,025 < 0,025 < 0,30
Механические свойства
Предел пропорциональности От, МПа Предел кратковременной прочности ов, МПа Относительное удлинение при разрыве 5, % Относи- тельное сужение V, % Коэффициент линейного расширения ан, кгс • м/см2 Твердость по Бринеллю НВ
735 930 12 55 10,8 255
Зубчатое колесо цементуется в шахтной печи при температуре 930 °С в течение 20 часов. После цементации колесо подвергается объемной закалке в масле при температуре 860 °С и низкому отпуску при температуре 180 °С с последующим охлаждением на воздухе. В результате зубья колес имеют цементованный слой толщиной 2,0... 2,2 мм и поверхностную твердость 60.62 ЖС.
Действующая сила на зубья колес определяется через мощность Nе двигателя, Н:
p _ 2^ _ 2 9550Ne _ 19100Ne d nd nd
где М - крутящий момент на валу, Н • м; d - диаметр окружности вершин зубчатого колеса, м; Ne - мощность главного двигателя, кВт; п - частота вращения вала, с-1.
По величине силы Р определены изгибные напряжения в опасном сечении зубьев колеса методом конечных элементов по программе FEMAP и NX NASTRAN. Схема расчета изгибных напряжений приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема расчета изгибных напряжений методом конечных элементов
Во избежание разрушения натурных зубчатых колес исследование распределения микротвердости и остаточных напряжений проводится на образцах-свидетелях.
Для исследования распределения микротвердости изготовлены микрошлифы. Микротвердость измерена на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,2 Н. По результатам измерений построена эпюра распределения микротвердости и пределов выносливости 1 (без учета остаточных напряжений) по опасному сечению зубьев (рис. 3).
Рис. 3. Схема определения эффекта упрочнения и параметров упрочнения цементируемых зубьев колес модулем 10 мм:
1 - эпюра твердости и пределов выносливости без учета влияния остаточных напряжений;
2 - эпюра предельных амплитуд напряжений с учетом влияния остаточных напряжений;
3 - эпюра предельных рабочих напряжений (эпюры выражены в относительных единицах по отношению к соответствующим свойствам в сердцевине)
Для определения остаточных напряжений в цементованном слое применяется скан-идентификатор технологических остаточных явлений (СИТОН), принцип работы которого основан на корреляции между интегральными электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов. По величинам остаточных напряжений определяются коэффициенты влияния остаточных напряжений на предельные амплитуды напряжений по диаграмме (рис. 4).
°а/ °-1
ат, МПа
Рис. 4. Диаграмма относительных предельных амплитуд напряжений при симметричных циклах для цементованных сталей
Эпюра распределения пределов выносливости 2 (с учетом влияния остаточных напряжений) получена умножением величины эпюры на эти коэффициенты.
Результаты исследований и их обсуждение
В ходе исследований нами были определены оптимальные параметры упрочнения колеса модулем 10 мм: глубина слоя 2,0...2,2 мм и твердость поверхности 60.62 HRC. При данных параметрах упрочнения величина эффекта упрочнения составляет 1,72 Н.
После цементации очаг разрушения переходит с поверхности в подслойную зону (рис. 4). В данном случае устраняется влияние микронеровностей и поверхностных дефектов на прочность деталей. Это является одной из причин уменьшения величины эффекта упрочнения по сравнению с экспериментальными данными.
Заключение
Предложенный алгоритм позволяет определить параметры упрочнения и величину эффекта упрочнения деталей без проведения усталостных испытаний. Алгоритм расчета был реализован на судоремонтных предприятиях России и Вьетнама при разработке упрочняющих технологий судовых деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Серенсен С. В. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность / С. В. Серенсен, В. П. Когаев, Р. М. Шнейдерович. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.
2. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В. П. Когаев. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.
3. Динь Д. Л. Разработка и исследование методики определения параметров упрочняющих технологий при ремонте / Д. Л. Динь, В. А. Мамонтов // Материалы 14-й Междунар. науч.-практ. конф. «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика»: в 2 ч. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. Ч. 2. С. 112-115.
4. Динь Д. Л. Исследование влияния параметров упрочнения на циклическую прочность цементных деталей / Д. Л. Динь, В. А. Мамонтов // Молодой ученый. 2014. № 2 (61). С. 134-137.
Статья поступила в редакцию 26.06.2014, в окончательном варианте - 22.08.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Динь Дык Лок - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры: «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Dinh Duc Loc
DEVELOPMENT OF THE ALGORITHM FOR CALCULATION OF THE PARAMETERS OF HARDENING TECHNOLOGIES OF SHIP PARTS AT REPAIRING
Abstract. The problem of determining the parameters of hardening of ship parts is taken into consideration. The calculation method was used to determine the parameters of hardening without consuming fatigue tests on the samples and experimental details. The study was conducted on the samples of various diameters and experienced 6 mm module gears, hardened by various methods. The results of the studies were analyzed to confirm the feasibility of using the calculation method for the study of the influence of the parameters of hardening on the cyclic strength of parts. According to the research an algorithm for calculating the parameters of hardening was developed. The algorithm was used for 10 mm module live-gear, made of steel 20XH3A. Under the proposed algorithm, the optimal parameters of hardening were found: the layer depth was 2.0...2.2 mm and the surface hardness was 60.62 HRC. Magnitude of the effect of hardening at the given parameters in this case is 1.72. It is noted that as a result of the hearth carburizing, the destruction proceeds from the surface to the subsurface zone. It is concluded that the proposed algorithm help determine the parameters and the effect of hardening of the parts without the fatigue tests. This contributes to higher productivity and lower production costs.
Key words: ship details, hardening parameters, fatigue tests, cyclic strength, carburizing, hardening effect, hearth of destruction.
REFERENCES
1. Serensen S. V., Kogaev V. P., Shneiderovich R. M. Nesushchaia sposobnost' i raschet detalei mashin na prochnost’ [Bearing capacity and calculation of the machine details for durability]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1975. 488 p.
2. Kogaev V. P. Raschety na prochnost’ pri napriazheniiakh, peremennykh vo vremeni [Calculations for durability at stress variable in time]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977. 232 p.
3. Din' D. L., Mamontov V. A. Razrabotka i issledovanie metodiki opredeleniia parametrov uprochniaiush-chikh tekhnologii pri remonte [Development and study of the method of determination of the parameters of hardening technologies at repairing]. Materialy 14-i Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. «Tekhnologiia uprochneniia, naneseniia pokrytii i remonta: teoriia i praktika»: v 2 ch. Saint Petersburg, Izd-vo Politekhnicheskogo universiteta, 2012, part 2, pp. 112-115.
4. Din' D. L. Issledovanie vliianiia parametrov uprochneniia na tsiklicheskuiu prochnost' tsementnykh de-talei [Study of the influence of the parameters of hardening on the cyclic strength of cement details]. Molodoi uchenyi, 2014, no. 2 (61), pp. 134-137.
The article submitted to the editors 26.06.2014, in the final version - 22.08.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Dinh Duc Loc - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
