CC BY
10СНИЖЕНИЕ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВАНВВ РЕДУКТОРА БУРОВВТВ СТАНКА НА ВСНВВЕ СОВЕРШЕНСТВВВАНИЯ ТЕХНПЛВТИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В.Ю. БЛЮМЕНШТЕЙН, профессор, доктор техн. наук, И.Н. ГЕРГАЛ, канд. техн. наук, КузГТУ, г. Кемерово
Увеличение объемов добычи угля в Кузбассе приводит и к увеличению объемов бурения скважин различного назначения как по углю так и по вмещающим породам. В настоящее время более 60% буровых станков выпущено более 15-20 лет назад, а их технический уровень не отвечает современным требованиям. Наиболее весомыми параметрами, определяющими качество и технический уровень бурового станка, являются длина штанги, масса бурового станка и, в частности, масса редуктора механизма подачи и его деталей.
Анализ показал, что, например, у валов редуктора привода бурового станка БГА-2М, выпускаемого ОАО «Анжеромаш», имеется существенный (до 20 и белее раз) запас прочности по статическим нагрузкам и пределу выносливости, что, в свою очередь, приводит к высокой металлоемкости этих деталей (рис. 1). При этом конструкторские мероприятия по повышению технического уровня бурового станка не позволяют в полной мере обеспечить снижение массы станка без совершенствования технологии изготовления его деталей [1-2].
В то же время известно, что качество машины определяется в том числе качеством поверхностного слоя
отдельных деталей, которое, в свою очередь, определяет уровень большинства эксплуатационных свойств, включая статическую и усталостную прочность. Качество поверхностного слоя формируется различными методами на протяжении всего технологического процесса, а накопленные свойства оказывают решающее влияние на эксплуатационные параметры деталей буровых станков. Очевидно, если имеется информация о связи технологических параметров процесса с показателями качества поверхностного слоя, а также изучено влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства, то появляется возможность повышения эксплуатационных свойств на основе выбора оптимального сочетания показателей качества поверхностного слоя. Эти показатели, в свою очередь, можно формировать изменением технологических параметров.
В настоящее время методика проектирования технологических процессов изготовления ответственных деталей машин должна учитывать технологическое наследование свойств поверхностного слоя. Кроме того, экономия метагла достигается использованием технологических методов упрочнения, современных пред-
Рис. 1. Редуктор бурового станка БГА2М
редуктор
буровой замок
№3(40)2008 13
ставлений о физико-механических процессах деформации и разрушения конструкционных материалов.
В рамках данной работы решалась научно-практическая задача снижения металлоемкости (массы) и повышения качества бурового станка БГА-2М за счет повышения механических характеристик его деталей (валов редуктора) путем создания более совершенной технологии их изготовления.
В услиьинх ОАО «Анжеромаш» типовая технология обработки вала-шестерни (рис. 2) редуктора бурового станка, изготавливаемого из стали 20Х2Н4А, включает в себя: группу токарных операций; операции зубона-резания (валы-шестерни); поверхностную химико-термическую обработку - цианирование и закалку ТВЧ; шлифование.
Цианированный слой после закалки имеет высокую твердость и высокие эксплуатационнье свойства - износостойкость и предел выносливости. В целом принятая на предприятии технология обеспечивает требуемое качество поверхностного слоя. Однако после выполнения химико-термических операций в сочетании с последующим шлифованием в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения. При совместном действии в поверхностном слое остаточных растягивающих напряжений с эксплуатационными напряжениями существенно снижается положительный эффект в отношении усталостной долговечности.
При выполнении исследований было установлено, что повышение точности расчетов и соответственно снижение запасов прочности, основанное на использовании возможностей и методов вычислительной математики, новых механических характеристик и других позволяет снизить массу рассчи-ываемых деталей машин в отдельных случаях до 10 и бплрр процентов. Я то же время до 60 % экономии металла может быть обеспечено за счет рациональных методов конструирования изделий, проектирования технологических процессов, обеспечивающих высокий уровень их надежности. Прямая экономия металла достигается путем облегчения конструкции в результате удачного проектирования, снижения расхода металла за счет использования прогрессивных загото-
вок и снижения объема механической обработки и пр. Эффективным направлением прямой экономии металла является снижение реального (з ряде случаев необоснованного) запаса прочности деталей посредством уточнения схем и методов расчета, условий эксплуатации, т.е. приближением расчетных нагрузок к реальным. Задачу уменьшения сечений деталей при обеспечении заданного срока службы и надежности решают с помощью проведения расчетов элеменюв машин на прочность в условиях приложения статических и циклических нагрузок. Косвенная экономия дает эффект за счет изменения характеристик конструкции, учета действующих экспгу-атационных нагрузок, применения упрочняющих технологий и др. Эффект от такой деятельности проявляется в повышении долговечности изделий, условном сокращении выпуска продукции и реализуется постепенно, по мере эксплуатации машины.
Решение задачи выполнялось в несколько этапов.
На первом этапе был проведен детальный анализ конструкции и определены величины и закономерности переменных эксплуатационных усталостных нагрузок, действующих на валы редуктора бурового станка. В результате кинематических расчетов, расчетов опорных реакций и расчета прочности выявлено, что максимальные действующие моменты возникают в сечении вала-шестерни №2 065 мм на второй скорости [1-2].
На втором этапе был выполнен анализ, который показал, что снижение металлоемкости за счет уменьшения диаметров шеек вала и одновременное повышение сопротивления детали разрушению при установленных закономерностях эксплуатационного нагружения может быть достигнуто путем применения комбинированного упрочнения деталей. Было принято целесообразным применение поверхностной химико-термической обработки с последующим поверхностным пластическим деформированием (ППД), что позволяет сохранить положительные свойства термообработки с одновременным снижением шероховатости, увеличением пределов прочности и текучести, а также усталостной прочности (за счет создания сжимающих остаточных напряжений).
ГЗ 1,5тах
§§ ??
о со 0
30
1,5тах §§
Р 0,5тах
59,54019
254-о,4< 310"*
30°
138
I
59
117,5*°*
Р О.Зтах
Рис. 2. Вал-шэстерня редуктора бурового станка БГА2М
14 №3(40)2006
На третьем этапе на базе принципов механики технологического наследования был решен ряд аналитических задач по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) и оценке накопленных механических свойств поверхностного слоя после комбинированного упрочнения [3-4].
Сущность феноменологического подхода заключается в том, что физическое состояние поверхностного слоя определяется как результат пластического течения металла в очаге деформации, протекающего в условиях сложного напряженно-деформированного состояния. В связи с таким подходом наряду с традиционными параметрами состояния поверхностного слоя: шероховатостью, волнистостью, твердостью, остаточными напряжениями используются известные из механики деформирования параметры, такие, как степень деформации сдвига А и степень исчерпания запаса пластичности ЧЛ При этом появляется возможность описать протекающие в поверхностном слое процессы в форме, удобной для инженерного пользования [3].
Авторы считают научно обоснованным подход, в соответствии с которым начало разрушения при эксплуатации - это всегда исчерпание запаса пластичности. Даже хрупкому разрушению всегда предшествует небольшая пластическая деформация, причиной которой является пластическое течение металла. Механическая обработка резанием и давлением также приводит к пластическому течению и постепенному исчерпанию запаса пластичности металла в очаге деформации, следствием которого является формирование поверхностного слоя. Следовательно, и ме-хобработка, и процессы эксплуатации - это процессы, имеющие общую физическую природу поведения металла. Степень исчерпания запаса пластичности Ч* - это расчетная величина, которая формируется под влиянием программ нагружения поверхностного слоя в очаге деформации.
Известно, что стадии ППД предшествует чистовая или получистовая обработка резанием, которая приводит к накоплению деформаций и частичному исчерпанию запаса пластичности металла. Следователэно, материал поверхностного стоя перед обработкой ИНД уже имеет свойства, отличные от исходных, что приводит к большему пределу текучести, наличию остаточных напряжений, определенной микрогеометрии поверхности.
В работе рассмотрен жизненный цикл детали на стадиях резания, поверхностного пластического деформирования и последующего нагружения в условиях приложения эксплуатационных циклических усталостных нагрузок. При этом принято, что наиболее характерным видом усталостного нагружения является многоцикловое нагружение эксплуатируемой детали.
Феноменологический подход использован для сквозного описания состояния поверхностного слоя детали на стадиях ее жизненного цикла, связанных с обработкой и эксплуатацией с использованием аппарата механики деформируемых сред.
В основе этого описания лежат представления о
непрерывном накоплении деформаций и исчерпании запаса пластичности металла в поверхностном слое детали под влиянием программ нагружения.
В общем виде проблема механики технологического наследования может быть представлена схемой формирования поверхностного слоя, изображенной на рис. 3. Жизненный цикл представлен стадиями резания, поверхностного пластического деформирования и усталостного нагружения, состоящего, в свою очередь, из двух стадий - циклической долговечности и циклической трещиностойкости [4].
При решении задач механики в качестве исходныхха-рактеристик металла используется кривая упрочнения а, =о5(Л), кривая предельной пластичности Лр = Лр(П) и диаграмма циклической трещиностсйкости 1/= \/{К) в координатах «коэффициент интенсивности напряжений К - скорость роста усталостной трещины V».
Внедрение и перемещение инструмента на стадии резания приводит к возникновению очага деформации, в котором происходит течение металла, приводящее к накоплению деформаций Лрб3, исчерпанию запаса пластичности ¥рез и формированию поверхностного слоя. Последующее нагружение на стадии ППД приводит к возникновению очага деформации, зависящего от истории нагружения, и означает продолжение деформационных процессов. Следствием этого является формирование поверхностного слоя с накопленной за две стадии деформацией (Лрез + Лппд) и исчерпанным запасом пластичности (*Р + ^ппд)- Тензор остаточных напряжений сформирован также с учетом истории нагружения.
В процессе циклического нагружения накопление деформаций продолжается до предельного уровня Лр, которому соотаетстяует степень исчерпания запяся пластичности ХР = 1. Этому моменту соответствует зарождение начальной трещины и окончание стадии циклической долговечности.
Дальнейшее развитие трещины должно быть описано в категориях диаграмм циклической трещиностойкости.
Моделирование напряженно-деформированного состояния при обработке ППД проводили на двух сериях образцов, имеющих диаметры, соответствующие диаметрам шеек вала №2 редуктора бурового станка БГА2М. В качестве модельного материала применяли сталь 40Х ГОСТ 4543-71, имеющую физико-механические свойства, сопоставимые со свойствами стали 20Х2Н4А, из которой в производственных условиях изготавливают Ваны редуктора.
Образцы первой серии обрабатывались по заводской технологии без последующей термической обработки, а образцы второй серии дополнительно подвергались термической обработке. Образцы обеих серий в дальнейшем обрабатывали ППД роликовым инструментом диаметром Ор = 95 мм с подачей Э = 0,07 мм/об, частотой п = 10,5 с"1; профильный радиус ролика составлял Япр = 2...2,5 мм, усилия обкатывания варьировались в пределах Р = 1...4 кН. На стадии установившегося процесса ППД производили быстрый отвод («отстрел») деформирующего ролика от обрабатываемой поверхности детали.
№3(40)2008 15
Стадия ргзания
ЛГ=Лрс3; *****
ПЧс^ос^
ЛШ^^НДС).
П
Исходное состояние
Л^О; 4*2=0;
гг <^=0.
Стадия ППД
л£=лреа+лппд=лм(яс
МС»
ГГо0С1МТо0ст|ппй Л(П)ппЛ=т1ДС,Л(П)рез).
Лг-Лмех+ЛцД^рег
цо^то^ЦД; Л(ГТ)цд=м*т. М0Д€ЛЬ(Л(П)ППд).
Конечное состояние
Стадия циклической трещи но стой кости
Описание в категориях диаграмм циклической трещи но стой кости
Стадия циклической долговечности
Рис. 3. Схема к постановке проблемы механики технологического наследования
Выполнялась запись профилограмм полученных очагов деформации с последующей обработкой этих профилограмм по специальному алгоритму. Для последующего моделирования и сравнительного анализа были выбраны образцы № 132 (первая серия, незакаленный) и № 131 (вторая серия, закаленный), обработанные по идентичным режимам [5].
Задачи решались в плоско-деформированной постановке при использовании метода конечных элементов. В итоге были определены накопленные степень деформации сдвига А, степень исчерпания запаса пластичности и тензор остаточных напряжений [Таост].
Методом измерения твердости по Виккерсу были установлены параметры упрочнения поверхностного слоя, которые составили: глубина упрочнения /? = 2,8 мм и /7 = 1,2 мм, степень упрочнения 6 = 0,24 и 6 = 0,14 для незакаленного и закаленного образцов соответственно. По геометрическим параметрам очага деформации, параметрам упрочнения и механическим свойствам (твердость, кривая течения и др.) были сформированы начальные и граничные свойства для решения задач по оценке напряженно-деформированного состояния.
Расчеты показали, что в результате обработки ППД деталей из закаленной стали произошло увеличение предела текучести, предела прочности и предела выносливости в среднем на 25 %.
Далее по специальному алгоритму, разработан-
ному на кафедре «Технология машиностроения» ГУ КузГТУ, были выполнены аналитические расчеты ии-клической долговечности деталей после обработки по базовому технологическому процессу и после обрабо-ки ППД. При этом учитывалось совместное действие тензоров остаточных и выявленных эксплуатационных напряжений, постепенная релаксация остаточных напряжений, накопление деформаций вплоть до разрушения металла поверхностного слоя.
В результате расчетов установлено, что циклическая долговечность вала-шестерни после цианирования, закалки и ППД составляет 33 500 ООО циклов, что превосходит требуемую более чем в 7,5 раз. Анализ коэффициентов запаса прочности показал, что снижение диаметров различных шеек вала на 10, 2С и 30% приводит к снижению массы вала на 17, 31 и 41 % соответственно; итоговые коэффициенты запаса статической прочности шеек вала снижаются примерно в 2 раза и составляют тем не менее 9,9 < п < 49,9; итоговые коэффициенты запаса прочности по пределу выносливости при совместном действии крутящего и изгибающего моментов возрастают на 10...25 % и составляют 119,4 < п ^ 392,7.
Это позволило рекомендовать новый технологический процесс, который приводит как к снижению массы валов, так и к одновременному повышению качестеа и долговечности валов в условиях действия сложных знакопеременных нагрузок.
№ 3(40)2008
Список литературы
1. Гергал И.Н. Определение динамических параметров привода вращения бурового станка БГА2М / И.Н. Гергал, Н.М. Скорняков // Вестник КузГТУ. - 2002. - № 6. - С. 24 -27.
2. Скорняков Н.М. Исследование динамической нагру-женности привода вращения бурового станка БГА2М / Н.М. Скорняков, И.Н. Гергал // Вестник КузГТУ. - 2003. - № 6.
- С.41 - 44.
3. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / В.М. Смелянский.
- М.: Машиностроение, 2002. - 300 е.: ил.
м
4. Блюменштейн В.Ю. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин / В.Ю. Блюменштейн, В.М. Смелянский. - М.: Машиностроение-1, 2007. -400 е.: ил.
5. Блюменштейн В.Ю. Методика и устройства контроля геометрических параметров очага деформации при обкатывании и выглаживании деталей горных машин/ В.Ю. Блюменштейн, Ю.А. Антонов, И.Р. Гергал // Вестник КузГТУ. - 2001. -№ 3.-С. 26-27.
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАБОТЫ ДОЛОТООБРАЗНЫХ ЛЕМЕХОВ ВЛУГВВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКВЙ ОБРАБОТКИ
В. П. ТИМОШЕНКО, доцент, канд. техн. наук АлтГТУим. И. И. Ползу нова, г. Барнаул
В данной работе проведен анализ режимов термообработки носка долотообразных лемехов после индукционной наплавки режущей кромки с исследованием структуры и свойств закаленного металла. Выявлены недостатки существующего технологического процесса термообработки. Проведены экспериментальные исследования, на основании которых разработаны предложения по его совершенствованию.
Для повышения долговечности долотообразные лемеха плугов подвергаются индукционной наплавке твердыми сплавами [1]. Однако долговечность лемехов определяется не только износостойкостью наплавленного металла, но и прочностью его основного металла, особенно на долоте [2].
Для изготовления лемехов чаще всего используется углеродистая сталь Л53 ГОСТ 8531-78. При вспашке почвы контур лемехов значительно изменяется. Характер линейного износа режущей кромки лемехов представлен на рис. 1 .
Из эисунка видно, что наиболее активно изнашивается носовая часть лемеха, в результате чего постеген-но исчезает долотообразный выступ. Долото лемеха при работе в почве является наиболее нагруженной частью. Его износ примерно в 5...8 раз выше, чем гря-молинейная часть лемеха. Поэтому, чтобы повысить ресурс работы лемеха, долото кроме износостойкой наплавки подвергают закалке.
Рис. 1. Изменение контура лемеха в процессе износа
Цегью настоящей работы является разработка предложений по совершенствованию технологического
процесса термической обработки долота лемехов.
Сегодня для закалки долота лемеха на ряде заводов сельскохозяйственного машиностроения используется полуавтомат, который состоит из закалочного бака с системой оборота воды. На баке смонтированы две поворотные кассеты, на которые поочередно укладываются наплавленные лемеха сразу после завершения процесса наплавки. Наплавленная часть лемеха в этом случае имеет температуру 1250... 1350 °С. Пр/1 подстуживании лемеха до температуры закалки по команде от фотопирометра срабатывает исполнительный механизм и термппбрябятнтаемяя часть лемеха опускается в закалочную ванну Время выдержки в воде регулируется с помощью реле, которое по истечении заданного времени дает команду на возврат кассеты в исходное положение. После закалки лемеха укладываются в стопку таким образом, что закаленная часть лемеха находится в непосредственной близости с незакаленной частью, имеющей в этот момент температуру 600...700 °С, и за счет конвективного теплообмена отпускается.
Таким образом, согласно технологическому процессу лемех после наплавки (температура наплавки 1280... 1320 °С) должен остыть до температуры 810...830 °С и после закалки в воде отпуститься за счет теплопередачи от лезвия лемеха, которое закалке не подвергается.
Установлено, что при термообработке по такой методике закаленный слой получается только под наплавленным слоем. При этом не выдерживается величина протяженности зоны закалки (120... 135 мм) по полевому обрезу, что не отвечает требованию чертежа.
Известно, что для доэвтектоидных сталей, к которым относится сталь Л53, температура закалки должна быть на 30...50еС выше точки АСЗ -810...830 °С [1]. При повышении этой температуры до 1280... 1320 °С и достаточно длительной выдержки наплавляемой части лемеха при этой температуре (15...20 °с) происходит рост зерна аустенита. В стадии поставки периодический прокат имеет балл зерна аустенита 8...9, а после
№3(40)2008 17
