автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование технологии повышения долговечности плоских деталей с отверстиями

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ технологических методов обеспечения высокой долговечности деталей машин с отверстиями (обзор проведенных исследований)

1.1 .Конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на долговечность деталей машин.

1.2. Анализ технологических методов, применяемых для повышения долговечности деталей из титановых сплавов.

1.3. Возможности глубокого пластического деформирования поверхности отверстий. 26 Цель и задачи исследований

Глава 2. Общая методика проведения исследований.

Глава 3. Аналитическое исследование параметров упрочнения при локальной точечной деформации

3.1 Анализ процесса статического вдавливания абсолютно жесткого шара в полубесконечное полупространство.

3.2. Расчеты характеристик упругопластического контакта при динамическом внедрении шара в плоскость.

3.3. Расчет остаточных напряжений в поверхностном слое с учетом теплового и силового факторов.

3.3.1. Расчет температуры контакта

3.3.2. Расчет остаточных напряжений, возникающих под влиянием теплового фактора

3.3.3. Остаточные напряжения от влияния силового фактора

Глава 4. Исследование влияния методов и режимов поверхностного пластического деформирования на характеристики качества упрочненной поверхности.

4.1 Исследование микроструктуры и рентгенографический анализ фазового состава упрочненных образцов.

4.1.1 .Микроструктура упрочненной поверхности титановых сплавов

4.1.2.Рентгеноструктурные исследования фазового состава и остаточных напряжений

4.2 Исследование остаточных напряжений 1-го рода механическим способом.

4.3 Исследования шероховатости поверхности.

Выводы по главе

Глава 5. Лабораторные исследования области применения комплексной упрочняющей технологии.

5.1. Исследование возможностей глубокого пластического деформирования и величины натяга в соединении отверстие-болт для повышения их долговечности соединения.

5.2. Исследование влияния различных схем расположения отпечатков при вдавливании шариков на долговечность.

Качество продукции всегда являлось важнейшей проблемой машиностроительного производства.

Достижение высокого качества изделий машиностроения связано с технологическим обеспечением таких ее показателей как надежность и долговечность машин, механизмов и отдельных деталей. В свою очередь, надежность и долговечность зависит от условий эксплуатации, а также от конструктивных особенностей деталей машин. Так наличие всевозможного характера концентраторов напряжений значительно снижает надежность и уменьшает долговечность. Среди таких концентраторов, связанных с конструкцией детали, большое распространение имеют всевозможные отверстия, имеющиеся в детали в связи с ее функциональным ' назначением. Особенно важно обращать внимание на долговечность таких деталей, используемых для летательных аппаратов, когда их надежность определяет безопасность жизнедеятельности людей.

Обеспечение высокой долговечности таких деталей может быть осуществлено применением соответствующей технологии, используемой для повышения сопротивления поверхности с отверстием действию эксплуатационных нагрузок. Часто применение такой технологии является необходимым дополнительным процессом, направленным не только на формообразование изготавливаемой детали, а на целенаправленное изменение физико-химических и механических свойств и характеристик поверхностного слоя детали, определяющих ее качество. В связи с этим существует даже название такой технологии как упрочняющая.

В зависимости от конструктивных и эксплуатационных особенностей детали машины выбирается и применяется определенный технологический процесс упрочнения поверхностного слоя, который может включать несколько способов поверхностного пластического деформирования, направленных на решение требований условий эксплуатации деталей и повышение степени ее сопротивления всему комплексу действующих нагрузок. Чем сложнее условия эксплуатации, тем комплекснее должен быть применяемый технологический процесс упрочнения.

Поверхностная зона вокруг отверстия является сложным конструктивным элементом детали и может быть упрочнена различными способами, например раскатка отверстия с последующим применением статического или динамического способа упрочнения торцов. К последним можно отнести малоисследованный процесс упрочнения потоком летящих шариков под действием центробежных сил, а также, так называемое, глубокое местное пластическое деформирование вдавливанием стального шара (глубокое точечное деформирование).

В данной работе предусматривается проведение исследований возможности применения комбинированной технологии упрочнения поверхностной зоны около отверстия деталей такими способами как раскатка поверхности отверстия, глубокое точечное деформирование торцов отверстия или упрочнение их потоком стальных шариков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ конструкции деталей машин на основе существующей классификации показал, что многие из них в качестве конструктивных элементов имеют отверстия различных размеров. Эти отверстия в процессе эксплуатации деталей машин в различных условиях статических и динамических нагрузок играют роль концентраторов напряжений, которые неблагоприятно влияют на сопротивление детали эксплуатационным нагрузкам. Особенно это заметно на плоских маложестких деталях, изготовленных из легких сплавов (титановых, алюминиевых). Поэтому при изготовлении таких деталей особенное внимание обращается на технологию обработки отверстий (их направлящей поверхности и торцов) с целью обеспечения заданной эксплуатационной долговечности.

Как правило, используются дополнительные технологические процессы или операции, направленные на улучшение физико-химических и механических свойств и характеристик поверхностного слоя отверстий.

К наиболее распространенным технологическим процессам относятся различные методы поверхностного пластического деформирования, возможность использования которых зависит, в большой степени, от конструктивных особенностей деталей. При обработке отверстий небольшого диаметра (до 20-3Омм) чаще всего применяется раскатка, дорнование, дробеупрочнение стальными шариками. В последнее время находит применение также местное (точечное) глубокое пластическое деформирование вдавливанием различного профиля пуансонов вокруг отверстия.

Поскольку возможности каждого их методов ограничены, возникает необходимость применения нескольких методов в определенной последовательности, вид и очередность применения которых зависит от многих факторов, которые должны быть исследованы в каждом конкретном случае. В данной работе были проведены исследования возможности применения комплексной технологии (нескольких методов в определенной последовательности) обработки (упрочнения) отверстий с целью обеспечения высокой эксплуатационной долговечности плоских деталей с отверстиями.

2. Аналитические исследования напряженного состояния поверхностного слоя отверстий на основе энергетического подхода с учетом распределения энергии в процессе единичного упругопластического внедрения абсолютно жесткого шара в полубесконечную плоскость показали, что образование остаточных напряжений зависят от количества энергии, расходуемой на упругопластическое деформирование поверхностного слоя и его нагрев. При этом в точках контакта температура может достигать высоких значений (в зависимости от скорости деформирования) и способствовать значительному нагреву поверхностного слоя, что может сопровождаться структурными и фазовыми изменениями, выраженными в появлении его разупрочнения, дроблении блоков мозаики структур.

3. На основании расчета количества энергии, вносимой в поверхностный слой при единичном внедрении жесткого шара определены такие параметры упругопластического деформирования как глубина пластической (остаточной) деформации, на основании которой можно прогнозировать изменение шероховатости поверхности при неоднократных соударениях шара с плоской поверхностью.

4. Проведенные лабораторные исследования показали, что раскатывание отверстий на исследованных режимах способствует образованию в поверхностном слое остаточных тангенциальных напряжений различного знака, зависящих от величины продольной подачи и натяга между диаметральными размерами раскатника и отверстия. Сжимающие тангенциальные напряжения (апов, атах) можно получить в поверхностном слое, если величина натяга h находится в пределах 0,04. 0,20 мм. С ростом продольной подачи величина остаточных сжимающих напряжений уменьшается. Скорость раскатывания и исходная шероховатость поверхности оказывают слабое влияние на формирование напряженного состояния в поверхности раскатываемого отверстия.

5. После дробеметной обработки образцов на всех исследуемых режимах в принятых условиях в поверхностном слое плоскостей и отверстий наблюдаются сжимающие остаточные напряжения, эпюры изменения которых по глубине зависят от размера и массы шариков, времени упрочнения и исходного состояния поверхности. При этом в поверхностном слое металла чаще наблюдаются напряжения с подслойным максимумом.

6. Процесс изменения шероховатости в зависимости от диаметров применяемых шариков и времени упрочнения носит экстремальный характер, который объясняется явлением перенаклепа, наступающего после определенного периода времени при упрочнении шариками большого диаметра. Такие шарики сразу же при столкновении с шероховатой поверхностью сминают неровности и образуют дополнительные лунки (вмятины) глубина которых формирует новые неровности. А сила удара, по-видимому, так велика, что он приводит к указанному перенаклепу. Поэтому для формирования требуемой шероховатости поверхности дробеметной обработкой стальными шариками необходимо выбирать их наименьшего диаметра (< 1 мм).

7. Результаты лабораторных исследований долговечности плоских образцов из титановых сплавов ОТ4-1 и ВТЗ-1, подвергнутых комплексному упрочнению дробеупрочнением с глубоким точечным пластическим деформированием - вдавливанием (обжатием) стальными шариками торцовых зон отверстия с двух сторон одновременно показали увеличение долговечности на уровне напряжений, превышающих предел выносливости при переменном растяжении в несколько раз. Еще большему росту долговечности способствовало наличие натяга в болтовом соединении крепления образцов по отверстиям.

8. На основании проведенных теоретических и лабораторных исследований предложен комплексный технологический процесс упрочнения поверхностей с отверстиями, включающий дробеметную обработку (стальными шариками определенного диаметра) плоской поверхности и отверстия с последующим нанесением отпечатков стальными шариками по определенной схеме их расположения вокруг отверстия.

1. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория для расчета ударных систем.-М.: Наука, 1969г. 199с.

2. Андреев А.В. Критерии прочности для зон концентрации напряжений. М.: Машиностроение, 1985

3. Андреев А.В. Расчет деталей машин при сложном напряженном состоянии. М.: Машиностроение, 1981

4. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. Машиностроение,1963

5. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести.- М.: Высшая школа, 1968, 512с.

6. Брагин Д.Я., Логинов Н.З, Шканов И.Н. Влияние некоторых технологических факторов на усталостную прочность титановых сплавов. Проблемы прочности. 1971, т.З, №8, стр.78-82.

7. Вайнштейн В.Г., Кудрявцев И.В., Вейцман М.Г. Применение ППД для повышения выносливости деталей из титана в условиях фреттинг-коррозии. Сб.: Прогрессивные процессы упрочнения поверхностным пластическим деформированием. МДНТП. М. 1974, с.181-186.

8. Вейцман М.Г., Вайнштейн В.Г. Упрочнение титановых сплавов поверхностным пластическим деформированием. Вестник машиностроения, № 9, 1975, с. 73-75.

9. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента а технологических исследованиях. Техника. Киев. 1975г. 168с.

10. Виноградов Ю.М и др. Титан для народного хозяйства. Наука, 1976.

11. Вишняков Н.А., Рудзей Г.Ф. Влияние многорядного локального пластического деформирования на сопротивление усталости полосы с отверстием.Проблемы прочности,№3,1988,с.20-22.

12. Влияние технологического деформирования на структуру и механические свойства штамповок и поковок из сплава ВТЗ-1.: УВЗ, ВИАМ, ВИЛС,1977г,80с.

13. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 367с.

14. Гликман Л.А., Гуревич Б.Г. К вопросу о причине повышения усталостной прочности при поверхностном пластическом деформировании титанового сплава. Сб. Некоторые вопросы усталостной прочности материалов.: Машиностроение, Л, 1975

15. Горохов В,А, Чистовая обработка титановых сплавов. Машиностроение.: М. 1975, 109с.

16. Елизаветин М.А., Павлов Ф.П. Влияние остаточных напряжений наклепа на усталостную прочность. Машиностроение.: М. 1969.

17. Ермолова М.И. Рентгенографическое определение количества фазы в сплавах на основе титана. Заводская лаборатория, 1965,т.31, № 5.

18. Иванов С.М., Павлов Ф.П. Влияние остаточных напряжений и наклепа на усталостную прочность. Проблемы прочности. 1976., №5, с.25.

19. Калачев Б.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: "Металлургия", 1974.

20. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526с.

21. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975., 468с.

22. Кривоухов В.А., Чубаров А.Д. Обработка резанием титановых сплавов. М.: Машгиз, 1970.

23. Кудрявцев И.В. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа. М.: Машиностроение. 1965.

24. Логинов Н.З., Шканов И.Н. Рассеяние характеристик усталостной прочности и структурная неоднородность двухфазных титановых сплавов. Структура и свойства титановых сплавов. ОНТИ, 1972. с. 42-49.

25. Маквиллэн А.Д., Маквиллэн М.К. Титан /перевод с английского/, М.: "Металлургия", 1958. 458с.

26. Маклинтон Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970. 442с.

27. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, т.1. Справочное пособие под ред. Туманова. М.: Машиностроение, 1971. 421с.

28. Мороз Л.С. и др. Титан и его сплавы. Л.: Судпромгиз, 1960, т.1. 516с.

29. Овсеенко А.Н., Белолипецкий Ю.Л. Усталостная прочность титановых сплавов, применяемых для лопаток турбин после механической обработки. Сб. ЦНИИТМАШ, № 112а, 1979.

30. Папшев Д.Д., Голубев Ю.Г. Влияние обкатки шариком на усталостную прочность титановых сплавов. Сб. Повышениециклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования. Пермь, 1974. с. 12-13.

31. Папшев Д.Д. Назначение режимов обработки с учетом теплового эффекта. Сб. Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Куйбышев, 1975, с. 103-105.

32. Папшев Д. Д., Голубев Ю.Г, Азизбекян JI.A. Исследование тонкой кристаллической структуры при упрочнении обкаткой титановых сплавов. Сб. Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Куйбышев 1975, с. 11-13.

33. Папшев Д. Д. и др. Повышение усталостной прочности деталей из титанового сплава гидродробеструйной обработкой и выглаживанием. Вестник машиностроения. №4, 1977. с. 47-48.

34. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1975, 152с.

35. Пахмурский В. И. Кинетика усталостного разрушения образцов, поверхностно-упрочненных обкаткой. Сб. Повышение циклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования. Пермь, 1974. с. 13-14.

36. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение. 1977. 166с.

37. Плешаков В. В. Функциональное регрессионное моделирование технологических процессов электролитического хромирования. Сб. Повышение качества и эффективности хромирования и защита от окружающей среды. Киев. Знание. 1977. 31с.

38. Пронин А.Т., Воробьев И.А., Марковец М.П. Влияние структуры сплавов BT3-I и ВТ-18 на сопротивление усталости при асимметричном цикле нагружения. Проблемы прочности. 1972, № 4,с. 105-107.

39. Проскуряков Ю.Г. Упрочняюще-калибрующие методы обработки. М.: Машиностроение. М. 1965.

40. Раскин P.M., Кронгауз B.C., Кин Ю.Б. Цепные передачи буровых установок. Недра. 1972. 168с.

41. Рыковский Б.П., Смирнов В.А., Шетинин Г.М. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. М.: Машиностроение. 1985.-152с.

42. Савин Г.Н. Распределение напряжений вокруг отверстий. Киев. 1968г. 887с.

43. Серебряков В.И., Gajek.M. Технолопчне забезпечення якост1 поверхонь, ям працюють в умовах фретинг-втомы. 5-й М1жнародовый симпозиум украшських 1нженер1в-механтав у Львовт Льв1в. 2001, с. 134.

44. Серебряков В.И. Коздрах Р.В., Комаров В.А. Оптимизация процесса дробеупрочнения деталей по характеристикам качества поверхности. IV Международный конгресс: Конструкторско-технологическая информатика 2000. Труды конгресса. Москва.2000, с.139-141.

45. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1976. 447с.

46. Степанов Г.В. Расчет глубины внедрения недеформируемого шара в массивную преграду. Проблемы прочности.- 1969, №3, с.78-81.

47. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240с.

48. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностр., 1987, 208с.

49. Технологические основы обеспечения качества машин

50. К.С.Колесников, Г.Ф.Баландин, А.М.Дальский и др.; Под общ. Ред. К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. 256с.

51. Титановые сплавы в машиностроении. Под ред. Капырина Г.И. JL: Машиностроение, 1977. 248с.

52. Томсен., Ч.Янг., Ш.Кабаяши. Механика пластических деформаций при обработке металлов. Перевод с английского, под ред. д.т.н., проф. УнксоваЕ.П. Машиностроение, М.: 1969г. 502с.

53. Урывский Ф.П., Коротин Б.С., Сухотина J1.A. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность титанового сплава ВТЗ-1 и жаропрочной стали ХН35ВТЮ. Труды Куйбышевского авиационного института. 1967, вып. ХХУ. С. 165-172.

54. Фадеев JI.JI., Албагачиев А.Ю. Повышение надежности деталей машин. М.: Машиностроение. 1993. 96с.

55. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: "Мир", 1974, 408с.

56. Чечулин Б.В., Сыщиков В.И. Циклическая прочность титана. Металловедение. JL: Судпромгиз. 1957. № I, с. 196-205.

57. Bowers J. Е., Finch N.J., Coreham A.R. „ Proc. Institute Mechanical Engen." Vol. 182, Pt.L,1967-8, p. 703.

58. Burakowski Т., Wierchon T. Inzyneria powierzchni metali -podstawy, urzadzenia, technologia. WNT, warszwa 1955.

59. Leis H., Wchtitr "Zautfahrtechnic Roumfahrtechnic," 1969, V. 15, №7. p 72,180, 184. 72

60. Lucas J.J. Conieczny P.P Relationship Between Alpha Grain Size and Crack Jnitiation Fatigue Strengtfi in Ti-6A1~4V. „Met. Trans", 1972; V2,№3.p.911-912.

61. Pszybylski W. Obrobka nagniataniem technologia i oprzyrz^dowanie. WNT Warszawa, 1979. 494s.

62. Rabinowitz E. Frictional Properties of Titanium and Jts. Alloys.t,Me.t Progress", 1954, V65. №2, p. 19-23.

63. Sprague R.A., Ruckle D.L., Smith M.P. The effect of Maicrostructure on the Low Cycle Effect Fatigue Behavior of Ti-6A1-4V. -„Titanium Science of Technolog." V.3, N.Y.-L. 1973, p. 2069.л

64. Stetina K. Comments on the deformation Mechanism in Alpha-Titanium below 0,4 Tm "Scr. Met." 1969. V3. p.57.

65. Turner D.E., Roberts W.T. Fatigue Behavior of Titanium . "Trans.Met. Soc. AJME", 1968. V. 242 №7, h.1223.1. БЯБЛ;Г.'г'1