Повышение сопротивления усталости плоских деталей пластическим деформированием боковых поверхностей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

У

KpftK&Topcnt н»^о-.ссд»довлт«ьсш . проектно-техиоюгкчесетй жнетятут мажиноетровни (НИШТиав)

Ra правах рукеюмх

Емш 1—жял КПШфш

___ОТ 539.0;621Л87

jct&iocth

плоских x&riÉüÉ raihisKKÄ^JöBOiwoaeHiBN

Щ&Ш ШЩИШОСТВГ

••'■pi-

0X.CK2L06 - дяяаюпса, п^ошогтъ «ими® втерто

va ««ятрв J4MOI traient х«хдх&т« тдонгаевпх яаух

ваучша домпштехь »

гакжчевкя* науж, доцш* Гтмхев О.И.

Жра*атор«1 - 1983

Содержание

Введение

1. Современное состояние вопроса эксплу атадвойной надежности некоторых типов плоских деталей

1.1. Сопротивление усталости как критерий работо-опесобностн плоских дб*йлей

1.2. Пути повышения сопротивления усталости плоских дет a let

1.2.I.Повышение сопротивления усталости плоских деталей путем оптимизайин конетрукнни н условий эксплуатации

Т.2.2.Повышение сопротивления усталости деталей изменением свойств материалов

1.3. Поверхностное пластическое деформирование как способ повышения сопротивления уста-лооти деталей мавив

'.V..-V

1.4. Выводы по первой главе

2. Методика выполнения экспериментальных исследований

2.1. Методика изготовления образков и деталей и проведения их усталоотных испытаний

2.2. Исследование остаточного вапряжевнвго состояния плоских деталей, упрочненных ПЦЦ

2.2.1. Исследование распределения остаточных напряжений

2.2.2. Определение глубины наклепанного слоя

2.3. Выводы по второй главе

3. Экспериментальное исследовавне сопротивления усталости плоских деталей» упрочненных поверхностным пластическим деформирова нием

3.1. Пределы выносливости плоских образцов, упрочненных обкаткой роликом

3.2. Исследование долговечности при перегрузках и живучести упрочненных плоских образцов

3.3. Эффективность упрочнения плоских деталей чеканкой

3.4. Эффективность ШЩ при работе деталей в условиях внеохях температур

3.5. Исследование вдияния очередности выполнения операций ПЦЦ и нарезания зубьев (применительно к дискам пил)

3.6. Выводы по третьей главе

4. Аналитическое решение задачи оптимизации параметров упрочнения плоских деталей поверхностным пластическим деформированием и прогнозирование их сопротивления усталости

4Л. Исходные предпосылки к решению задачи оптимизации

4.2. Решение упругой я упруго-пластической задач Ш определение остаточных напряжений

4.3. Особенности рэсчета остаточных напряжений, вызванных чеканкой

4.4. Результаты экспериментальных исследований остаточного напряженного состояния плоских деталей и сопоставление с теоретическим решением

4.5. Прогнозирование предела выносливости упрочненных плоских деталей и оптимизация режимов упрочнения

4.6. Прогнозирование долговечности упрочненных

деталей при перегрузках

4.7» Выводы по четвертей главе

5. Практическое применение разработок

5.1» Упрочнение дисков пил горячей резки проката

5.2. Упрочнение скоб станин гидропрессов

5.3. Упрочнение плоских деталей типа проушин

5.4. Применение расчетов на надежность по закону Вей булла в конструкторской практике и учебном процессе

5.5. Выводы по пятой главе

Общие выводы и практические рекомендации

Литература

Приложения

i tefttfteKHiilS

ХХУ1 съезд КОСО поставив задач? повысить надежность к долго-вечность выпускавши к действующих машин, снизить ах металлоем-кость, обеспечить существенную экономию мета яда [I, стр. 153»-154] , ^ Эта задача особенно актуальна для мвянн, экспдуатхрующихся на

предпрнхпмх черной металлургии, поскольку надежность соответст** вующего оборудования в ряд» случаев является инзкой. tule,затрата на ремонт ооновша производственных фондов в червой металлургии ежегодно составляют около 2 млрд.руб. [2J. В ремонтное службе предприятий занято dome Z6JC общей чноденности провшленно-произ-водствеиного персонала,а ддя ремоюио^эксплуатационних нухд расходуется металл, наоса которого ршвна мвеее нового оборудования, выпускаемого Шнтяжмаием. Be янки потери за счет простоев оборудования. Жак свидетельствует дрожав оде твенш t опыт черно! металлург Т гии, больнее количество отказов у адов н деталей мамин связано о усталостными поломками жди выбраковкой деталей в связи с образа* вашем трещин усталости.

С другой второй, задача обеспечения заданного сопротивления у о та дос ти деталей машин приводит зачастую к необходимости уведичи-вать их размер, чтобы снизить действующие напряжения, особенно в зове концентрации напряжений. Это ведет к у тяже ленив машин, ловы-веннощу расходу металла, что оамо по вебе нежелательно, а в ряде случаев я неприемлемо во конструктивным или технологическим соображениям. Так, при проектировании гидравлического пресса усилием

s

450 ЯН (45000 то) для завода мЭнергомамопецстадьм (Г. Краматорск) выявилось, что запас прочности скоб станины пресса получается нвже допустимого, если не применять специальных методов упрочнения[3].

Задача обеспечения высокого уровня сопротивления усталости деталей мамки стоит не только перед черной металлургией, тяжелым

машиностроением,но и перед другим! отраслями: автомобильной, авиационной, электротехнической и др. К примеру, при строительстве и эксплуатации современник мощных и сверхмощных линий электропередачи СЛЭШ выявилась низкая надежность элементов линейной арматуры (серег, скоб и др.), которые разрушались от усталости. Все это определяв т акту а льн ость работ, наврав ле иных на повышение с оп-ротивле)м усталости деталей майшн.

Вопросам повышения сопротивления усталости деталей машин посвящены фундаментальные работы советских и зарубежных ученых: И.А.Одинга, С.В.Серенсзна,В.П.Когаева, В.М.Гребеника,B.C.Ивановой .И.В.Кудрявцева ,Н.В.Олейника Д.С.Лейкина, Б. А. Морозова, Л. М. Школьника ,Л.В.Коновалова,П.Форреста,Р.Петереона и их учеников. Ими всесторонне разработаны вопросы»связанные о изучением закономерностей процессов усталости, путей повышения сопротивления усталости и методе^расчета.

Эффективным средством повышения сопротивления усталости деталей, особенно с концентраторами напряжений, является поверхностное пластическое деформирование (ПЩ)["4,5 и др^ Этот метвд упрочнения всесторонне разработан в трудах И.В.Кудрявцева,Д.Л.Юдина, Д .Д. Папшева ,Ю. Г. Проскурякова, М. А. Ба лтер ,Г. 3. Зайцева ,В. М. Тимонина, В.М.Браславского.В.В.Петрвсова,В. А.Гладковского, А.Н.Овсеенко, М.С.Дрозда»Н.Н.Шканова и др. и находит применение в промышленности, преимущественно для упрочнения деталей цилиндрической форма (типа валов и осей).позволяя достичь значительного повышения сопротивления усталости. Применительно же к плоским деталям(зубчатые изделия,панели и т.д.) этот способ применяется в меньшей степени. Известны и применяются в промышленности методы упрочнения зубчатых колес путем пластического деформирования каждой впадины зубьев[5,6] или одновременно впадины и поверхности 3y6af7j,ynp©4-нения пластин с отверстиями путем продавливания через последние

шариков, дорнования отверстий и т.п.[в]. Шесте с тем имеются ре> зервы дальнейшего расширения использования этой прогрессивной технологий упрочнения, особенно применительно к рассматриваемым плоским деталям сфдью повышения их сопротивления усталости.

¿втором предложен новый сносок упрочнения плоских деталей "поверхностным цдаотичестщ деформирована ем - пластическое дефор-мирование боковых поверхностей деталей в зоне концентраторов напряжений . Способ защищен авторским свидетельством^. До настоящего временя исследований эффективности и уеловий применения этого способа упрочнения не проводилось.

Б связи с этим целью настоящей работы «вляется:исследование сопротивления усталости плоских деталей »упрочненных пластическим деформированием боковых поверхностей предложенным методом,иссдедо ванне закономерностей, определяющих эффективность упрочнения, разработка оборудования и приспособлений для реализации способа в производстве.

Работа выполнялась в рамках координационного плана исследова ешй по проблеме"Научные основы повышения надежности и долговечное тн машин и сооружений"Донецкого научного црнтра АН УССР по разделу "Конструктивные и технологические методы повышения несущей способности и долговечности сооружений"Она является также составной час ты> комплекса научно-исследовательских и проектно-кенструктор-оких работ, выполняемых в соответствии с распоряжением Совета Министров СССР и планами Министерства тяжелого я транспортного машиностроения СССР по подготовке производства мощных гидропрессов для атомного энергомашиностроения.

Для решения поставленных задач в работе теоретически и экспериментально исследованы:

- условия работы ряда плоских деталей» критерии их работоспособности, причины низкой надежности;

- сопротивление усталости плоских деталей различных типораз-

'»еров в зависимости от параметров упрочншвдей технологаи,материала в размеров деталей, уровня концентрации напряжений в дета«« лях, температурных условий «к работы; -

- распределение оотаточинх вапряженжй ж глубина наклепанного слоя в зависимости от вышеуказанных технологических и геометрических факторов, влияние остаточного вакряженнего оосгояния на сопротивление у о талое тж упрочненных деталей. Для исследования распределения остаточных напряжений была разработана специальная методика;

- уровень концентрат» напряжений в некоторых плоских деталях сложной конфигурации При втек попользована новая методика, разработанная автором и защищенная авторокжм свидете льотвом [IOJ ;

- кинетика развитая усталостных трещин в упрочнениях деталях* их живучесть.

На основажжж проведенных исследований показано» что предложенный способ упрочнения позволяет оуцвотвенио невыоить оопротнв-

ление уоталостж плоских деталей. Рост предела вынооживооти достигает 40-I0ÛË н болео не сравнению с неупрочненниш деталями, рост долговечности при напряжениях вше предела выносливости (при перегрузках) - в 3-5 раз. При атом обеопечнваетоя понижение живучести деталей при наличии трецкн, а также повнмение сопротивления усталости деталей при работе их в условиях высоких температур, Зкнне-риментально н теоретически получены рекомендации по выбору оитн-матльиых параметров упрочнения, разработана методика расчета предела выносливости ж долговечности при перегрузках упрочненных плоокжг деталей (последняя - в статистическом аспекте на основе метода статистического моделирования). Спроектированы приспособления к разработаны рекомендации по применение предложенной упроч-яярцей обработкж в производстве.

fia защиту аяяоеятея следует основные положения » результате:

- поверхностное пластическое деформирование боковых поверхностей плоских деталей в tase концентрации напряжений является эффективным способом повявежяя сопротивления усталости таких даииииШ| ' .

* еффектяжееть уврочяеяяя шмш деталей * концентрат«* раки напряжений а растем эмергоеилевих параметров врещеееа (уея* лая яа релик яря обкатка или анергии удара яря чеканке) растет немонотонно я шит максимум вря определенных начениях уха* занишх параметров* G рафаи теляиин декеля я предала текучести

материала пал exea яе максимума внецаетея в сторону б&ьяих яна-чеиий уеяляя ебкатки (энергия удара);

- обнаруженной иеконетоиянй характер упомянутой зависимости

«вязан е оеобеяно«тямн распределения естатечянх яаяряженнй, яа-

......' : ... - ■

званных ВЦД, и нх взаимодействием е рабочими напряжениями« Пря

определенных условиях отрицательное влияние оетато<шнх нал реже-яяй растяжения в срединной ялосксстя детали превявает благоприятное влияние сжимаяних «статочных напряжений на поверхности, что ведет к снижения сопротивления усталости» вялоть де уровня не-упрочненных образцов я даже ниже;

* предложенный метод упрочнения нлоекнх деталей «дневремеи-но е повмненяеи долговечности де зарождения трещин ведет к повн-яеннв трещнно«т«йкссти (живучести) деталей я умеиьиеяяи «ксростн распространенна трещин яа всей траекторннн ее распространения• ибця* полежятелмшя аффект упрочнения достигается как за счет вовмяеямя долговечности де зареждсия трещин, так я sa счет но* выясняя еевротявленяя распространенна трещи;

- выполненное аналитическое решение задачи евтямязацяя параметров упрочнения плоских деталей поверхностями нхаетячеекни

деформированном к методику расчета оптимальных параметров упроч-нения» а также достигаемого аффекта упрочнения - предела выносливости ж долговечности (в отатжотичееком аспекте) ври перегрузках Результате работа внедрена на Донецком металлургическом завод» fcu Ленина, Ново-Ера*атерсхем маишоетронтельнож заводе им* 1«вша, Славяне ком ариатуржо-нзежятериом заводе им. Артема -е общим годовжм »кеномичееким эффектом беям 260 fu. руб* Разработанные алгоритма раечбта ■ программа жеаояьаувтся в конструкторской практике производств«ного объединения "НКНЗ". Результата работы нржмеяянтея также в учебном процессе ж Крама* то ре кои нидустриальном ннвти^туте. Основные разработанные алго~ ритмы ■ программа раачетож зарегистрирована а Государственном фонде алгоритмов н программ*

г i* сшшшт состояние вопроса эксплуатадишнсй

надежности некоторых ТИПОВ плосвж деталей

I.I. Сопротивление устахостх как критерий

работоспособности пхоскнх деталей В деяхей работе в»»и» "пхосжие детали" означает такие де-таи, кеторне имевт форшу призмы ихх прямого цилиндра х меду»,во ( сравнения о размерами оохеваххя» или бххзжу» к ххм толщину, е векторн действующих на деталь в процессе работ охл прехмущесг-вевво пара где льни срединной плоскости (по аналоги о шмотинами срединной нвзовем плоскость, делящую толщину пластины пополам [ф. Црмер« тага дета«. вМИМ „бчане нмежия.прсиин, в частности, эвенъш цепей, х другие детали, оообеиноотх которых будут ресещиренн ниже.

Нахболев распрострайеххмд зубчатыми изделиями является зубчатые диски пил горячей х холодной резки, зубчатые колесе х рейки, зубчатые полотна ленточхих пил» Их fojaia, размер» ж условия работа соответствуют отмеченному вше понятию "плоские детали"« Общее представление о параметрах к мвтерхеяе дхсков пил горяча! резхх проката х разрезаемом сортаменте дает табдЛЛ [12]*

Необходимость повыменхя надежности дхсков mix горячей резхх проката овязана с тем, что в условиях вое более увеличивающейся производительности прокатных отанов и интенсификации режимов ре-занжя [13,14] участок порезки прокате становится узким местом в связи е низкой надежность» дисков [13]. Важнейшая критериями работоспособности дхоков [16] жвхяштох чяойкость зубьев против з|тупде-ния к трещиностойкость впадаш»$4ьев, -а тмае устойчивость дисков. Что касается последней:,т*нраетжьвнй выбор параметров дисков с учетом уехххя резания(например,по методике [17] )позволяет достичь у стейчхвоетх дхоков х^кяавчхтьвибрации.Кроме того, предложены

Та бджце 1,1

Параметра зубьев ж материал дисков пвд горячей резвж, применяемых жа различных заводах [12]

Сортамежт прокатываемого А, форма Мате-

мм * ■ зуба* £жска

г

т

150x1^0« ГТшГЯ) * Др.

Рвдьс РЧЗ, Р-50,

ъ т*

гол*

Уголок КЮосГОО, 120x120, 15,7 130x130 ж др.

Квадрат 43x45, 180x180» 200x200 ж др.

Редьен, квадрат 70x70 -200x206

Квадрат Ш0хШЬ200х200 Квадрат 150x150,200x200

$руг $0-270

•I®, квадрат

9 2 №5 1,5

■ 65Г 0,10

ТОТ 0,10 У7А

22,1 14 2,5 м 65Г 0,11

0,12-

17 12 2-3 в,т 65Г 0,18

20,16 15 3 м 65Г 0,18

19 15 4 ' в 65Г 0.21

20 8,3 * 65Г, 371С р{26

22,84 15 4 в 65Г 0Д8

14 8 4 , в 0,29

13 15 3.5 м 65Г 0,19

19 13 и 1 2 . в 50 0,Н

18

М 3

ш 6ЩГ 0Д7

I.: -Ь маг зубьев, /г. - вяеота зубьев, - раджус закругдежжя впадины

, т — треугольный, в -

ч

гопециаяьинв методы уменьшения вибраций [18]. Поэтому практически работоспособность дисков определяется либо затуплением зубьев, либо образованием трещин усталости у вна.днн зубьев.

В решении проблема стойкость зубьев в последнее время достигнуты определенные успехи благодаря работам Н.И.ловаД).Е.Кима , Н.Й.Голубенко [14, 19-21], К. А.Тювиша »В.В. Изтарникова [24-27] и др. Яш разработана и усовершенствована технология термин ческой обработки, улучшена свойства материала дноков, найдена рациональная форма зубьев. Эхо позволяло увеличить как время работы диска между переточками эубьев, так н общее количество переточек. Позтому в настоящее время на первый план в качеотве критерия работоспособности дисков выдвинулась из трещнностойкость. Qg атом свидетельствуют, в частности, данные табл.1.2, составленной по результатам обследования рабоуоспоообностж пил ряда заводов.

Из таблица видно, что возможности переточек вубьев очень ограничены - в большинстве случаев числопереточек составляет лишь 1-2. В отдельных случаях (Хдановский и Челябинский заводы) в связи о трещинообразованием переточки вообще вевозйожнн. Редко число ререточек может достинь 3-4. Данные заводов овидетельотвуют о ток, что орок службы дисков до образования трещин не превашает, как правило, 1-2 смены я редко превывает 3-4 смеет. Такая частая выбраковка дисков приводит к повняенному их расходу. В тех случаях, когда диски сменяются из-за образования трещин, а не из-за изнооа зубьев, низкое сопротивление дисков трещинообраэова�