автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение качества несоосных винтовых механизмов деформационным упрочнением их сопрягаемых деталей

- 34 -

цева повышение сопротивления усталости стальных деталей в результате упрочнения пластическим деформированием за счет повышения микротвердости поверхностного слоя составляет 65...75%, а за счет создания остаточных сжимающих макронапряжений - 25...35%. Другие исследователи, например [182], напротив считают, что основной причиной повышения предела выносливости является действие остаточных напряжений.

Остаточные напряжения оказывают существенное влияние на выносливость в случае создания для материала детали условий, исключающих возможность пластического течения: наличия галтелей, надрезов, кольцевых канавок, резьбы, трения, высокого уровня скрытой энергии (наклепа), действии низких температур, больших размеров детали. Необходимо, чтобы результирующее напряжение от совместного действия остаточных и наведенных внешней нагрузкой напряжений не превышало предела упругости. Результирующее напряженное состояние определяется на основе принципа суперпозиции. При совпадении направлений векторов главных напряжений и симметричном цикле внешней нагрузки металл работает в условиях асимметричного цикла со средним напряжением, соответствующим уровню остаточных напряжений. При значениях результирующего напряжения близких к пределу текучести остаточные напряжения релаксируются и практически не оказывают влияния на предел выносливости материала. Если результирующее напряжение значительно меньше предела текучести, остаточные напряжения оказывают максимальное влияние на усталостную прочность. При этом основное значение имеет величина и знак остаточных напряжений на поверхности детали.

Получено обширное экспериментальное подтверждение существенного увеличения предела выносливости поверхностного слоя детали, содержащего остаточные напряжения сжатия, полученные в результате упрочнения деформационным способом. В то же время, ожидаемое повышение усталостной прочности вследствие создания сжимающих остаточных напряжений в процессе термической обработки очень часто не находит экспериментального подтверждения [54, 192].

Резьбовые детали хорошо сопротивляются статическим нагрузкам, но вследствие высокой концентрации напряжений по впадинам очень чувствительны к разрушению от усталости. Так как стали становятся более чувствительными к надрезам с увеличением прочности на растяжение, увеличение прочности материала резьбовой детали не может дать соответствующего увеличения предела усталости.

- 51 -

в качестве критерия контактной усталости наиболее подходящим является критерий энергии формоизменения, определение которого требует знания всех трех главных напряжений. Известные методы расчета не предусматривают такой возможности.

1.6. Цель и этапы исследования

В связи с необходимостью совершенствования технологии изготовления сопрягаемых деталей НВМ, перспективностью использования для этого методов деформационного упрочнения и формообразования несущих винтовых поверхностей, отсутствием данных и надежных методик расчета требуемой глубины упрочнения, особую актуальность имеет крупная научная проблема, состоящая в определении величины несущего слоя сложнонапряженных деталей НВМ и разработке технологических способов обеспечения требуемых параметров упрочнения, гарантирующих необходимое качество детали.

Целью работы является научное обоснование требований к упрочненному слою сопрягаемых деталей несоосных винтовых механизмов на основании комплексного расчета напряженного состояния и несущей способности винтовых поверхностей, технологическое обеспечение их качества деформационным упрочнением.

Разработка ресурсосберегающей технологии изготовления тяжелонагружен-ных деталей НВМ требует ответа на два важных вопроса: о величине несущего слоя и необходимой глубине упрочнения; выборе способа и режимов упрочняющей обработки, геометрии инструмента.

Работа предусматривает выполнение следующих этапов:

Первый этап включает анализ существующих методик расчета напряженного состояния тяжелонагруженных деталей. Решается задача разработки метода расчета эквивалентных напряжений, формирующихся в эксплуатационных условиях нестационарного режима нагружения в произвольной точке детали НВМ, являющихся векторной суммой напряжений области контакта, винтового зуба и тела детали от деформаций изгиба, растяжения-сжатия, кручения, сдвига, формирующихся в многоступенчатой детали при всех возможных схемах закрепления. Особенностью метода является учет пространственного характера системы сил, силы трения, погрешностей изготовления и неравномерности распределения нагрузки по многочисленным точкам контакта сопрягаемых винтовых поверхностей, остаточных напряжений.

Второй этап посвящен выявлению характера влияние параметров сопрягаемых винтовых поверхностей на напряженное состояние деталей НВМ и разработке

- 102 -

(2.52)

Аналогично переход для напряжений витка от дополнительной системы коор динат Х2 У2 %2 к основной системе координат X У Z, приводит к выражениям:

Напряжения сг" ,(7у , <JBy , T^,Tyz, <JTz,zTyl действуют по

граням куба, ребра которого параллельны осям основной системы координат, а поэтому могут быть алгебраически сложены между собой (см. табл. 2.1).

2.8. Использование критерия интенсивности напряжений в расчетах НВМ на нагрузочную способность, долговечность, статическую и усталостную прочность

2.8.1. Общий подход к расчетам НВМ на долговечность и прочность

При проектировании несоосного винтового механизма необходимо выполнить, в зависимости от условий работы и предъявляемых требований, расчеты на статическую прочность, долговечность, изнашиваемость сопрягаемых винтовых поверхностей, прочность винта, гайки и ролика, устойчивость винта (расчет винта на устойчивость не отличается от подобных расчетов для других винтовых передач).

Расчет РВП на долговечность в большинстве случаев и в нашей стране [24, 103], и за рубежом производится по тем же формулам (зависимостям Пальмгрена), что и для шариковинтовых передач ("La techniqui integrale"), или по формулам, принятым в расчетах подшипников качения ("Ina Lineartechnik oHG") [56, 57]. Расчеты на долговечность НВМ производятся по поверхностной контактной выносливости.

(2.53)

т"=тн=0.

XZ

- 110 -

Согласно ГОСТ 25.504-82 величина коэффициентов, характеризующих влияние среднего напряжения цикла на предельную амплитуду, определяется по формулам (ав в МПа):

у/а=0,02 + 2-10-4-ав ;

у/т=0,01 + 10~4 -(7в .

(2.65)

Так как к резьбовой поверхности деталей НВМ предъявляются очень высокие требования по шероховатости, величина коэффициентов, характеризующих влияние состояния поверхности на предел выносливости материала, близка к единице. Тогда формулы (2.61) примут вид:

1 К, . 1

Кп

К4а КУ

Р,

(2.66)

Впадины резьбы являются концентраторами напряжений. Величина теоретических и эффективных коэффициентов концентрации напряжений с учетом влияния масштабного фактора при растяжении-сжатии, изгибе, кручении различна. Величину теоретических коэффициентов концентрации напряжений обычно определяют по формулам Нейбера [85]. Тогда:

К'н

к:

2а

р,и

2а„

1 +

пй

88,3 в*

р,и

К

(ІТ

1 +

7Г(1

(2.67)

уа=0,2-10~4-ств ;

88,3 ЄтУ ут = 1,5 • V ;

а Я

1 +

у

а Л

1 +

н

(а/ст-і){а^-і)

аР,и =2 +

V Я

а. =1 +

— + 2

/

(а/т-і){а(т-і)

< =

< =

\й-2Нн 2Я

\

1+1

\d-2H

2Я

± + 1 + 1

2

JL V Л

' 3

(1-2Н

у

2Я іІ-2Н

± + 1 - 0,4

I й - 2Нн 2К

(2.69)

1+1

2Я

*-0,4лГ +1 + 4,3

2Я

- 112 -

р,и = Р,и max

Р-2-н„

d л 2

(Г)р'и = доп

КР,и

а

V Л da

-1

i-or

d

-Нн-р

(

х доп

К

\Kdr

-1

d

-Ни-р

(2.73)

Формулы (2.71)...(2.73) позволяют оценить глубину несущего слоя, ослабленного концентрацией напряжений. Для упрощения расчетов целесообразно при определении всех увеличенных составляющих напряженного состояния использовать максимальный эффективный коэффициент концентрации напряжений, а величину ослабленного слоя оценивать по наименьшему из действующих относительному градиенту напряжений. Возникающие погрешности идут в запас прочности.

Следовательно, для симметричного цикла коэффициент, учитывающий суммарное влияние всех факторов на предел выносливости детали, можно вынести за знак радикала. Тогда с учетом (2.71)...(2.73) справедливы выражения:

<jia • max

Кри R

Кр'и к

\ da 1V dr У

к.,

п

(2.74)

^ ia ^ ia max

max

К

р,и

КР,и

У da

К

-1

dr J

1-тт{сГ;Ст)Ц-Нн-р

х 1

max

K'u

к,

к

;min{pi<u;Gx)

dx У

L<<Ll

n

^ ia max ^ ia

d

p = --hh 2

(2.75)

Коэффициент Kv , характеризующий влияние упрочнения, позволяет учесть

влияние измененной твердости несущего слоя и сформировавшихся в процессе упрочнения остаточных технологических напряжений на допустимую величину амплитудных значений напряжений. В технической литературе [85, 155] рекомендуются усредненные значения параметров Kv = const для различных способов упрочняющей обработки. Для рассматриваемого случая представляется целесообразным, не меняя физического смысла коэффициента Kv , рассматривать его как функцию от координаты р.

- 137 -

Таблица 3.7

Диапазон изменения величин Кг и Кг

Рис. 2а Рис. 26 Рис. 2в Рис. За Рис. 36 Рис. Зв

1,00 <Кг Жг< 1,17 1,01 <Кг Кг < 1,17 0,60 < Кг Кг < 1,12 0,60 < Кг Кг < 1,12 0,50 < Кг Кг < 1,10 0,96 <Кг Кг < 1,13

0,05 < Кг Кг < 0,56 0,15 <Кг т < 0,27 0,14 <т т < 0,27 0,18 <т т < о,23 0,11 <Кг Кг <0,52 0,11 <Кг Кг < 0,52

Кг тах= 1,17 К1 = 0,15 Кгпи1Х~ 1,17 Ш = 0,24 Кт тах~ 1,12 т = 0,27 Кгтах= 1,12 Кг = 0,21 Кгтах= 1,10 Кг = 0,45 Кттах~ 1,13 Кг = 0,5

Кг = 1,09 Кгтах= 0,56 Кг = 1,08 ттах= 0,27 Кг = 1,12 Кг щах— 0,27 Кг = 1,05 Кгтах= 0,23 Кг = 1,00 0,52 Кг = 1,05 кгтах= 0,52

• как правило, наибольшим значениям Кг соответствуют средние и малые значения Кг, а наибольшим Кг - средние и близкие к максимальным значения Кг, однако в целом ряде точек и значения Кг и значения Кг близки к максимальным.

Так как наибольшая величина главных напряжений соответствует максимальным значениям Кг и Кг, для осуществления расчетов с некоторым запасом прочности целесообразно принимать Кг= 1,2 и ^ = 0,6. Использование в расчете максимальных значений Кг и Кг может привести к неоправданному завышению главных напряжений. Использование выражений (3.9) для определения Кг и Кг нерационально, так как требует задания заранее неизвестных величин - а/,/и ц/.

Для уточненных расчетов удобно пользоваться максимальными значениями Кгтах и Кгтах, определенными по математическим моделям для конкретных геометрических параметров винтовой поверхности - угла профиля витка 2а и угла подъема винтовой линии Л. С целью получения моделей вычислялись максимальные значения Кг и Кг в 128 точках факторного пространства. Полученные экспериментальные данные обрабатывались в пакете Statistica. Зависимости коэффициентов Кгтах и Кгтах (Ктах) от а,/, Л искали в виде полиномом второй степени: Ктах = Ьуссо + Ьг-Л + Ь3/+ Ь4-СС0Л + Ь5-а0/+ Ь6-Л-/+ Ь7-а02 + Ь8-Л2 + Ь9/ (3.10)

Значения коэффициентов полученных математических моделей приведены в табл. 3.8. Математические модели объясняют 99,996% вариации Кгтах и Кгтах. Коэффициент корреляции моделей с данными, полученными в результате реализации численного эксперимента, более 0,999. Увеличение радиальной и тангенциальной составляющих нагрузки за счет использования в расчете Кгтах и Кгтах по (3.10) вместо реально возможных величин составляет 0... 14%.

Таблица 4.7

Характеристика Способов обработки вйутренних метрических резьб

Способ обработки Размеры резьбы Требования к материалу Технологические возможности

Диаметр резьбы СІ, мм Шаг резьбы Р, мм Длина резьбы Ц мм Предел прочности ств, МПа, не более Твердость, НРС, не более Относительное удлинение 5, %, не менее Производительность обработки Степень точности резьбы Шероховатость резьбы Ра, мкм

НАГ 50...200 0,5...3 200 1400 24 15 0,2 4...6 0,4...1,6

НП 50...400 0,5...2 100 1400 24 8 0,1 4...6 0,2...1,6

НМ 1 ...52 0,25.. .2,5 200 - 24 8 5 2...6 0,6...1,6

М 0,25...300 0,075...10 300 - 45 2 50 2...7 1,6...3,2

РНГ 36...300 0,75...8 200 1000 45 2 1 5...8 1,6...3,2

Т 10...1000 0,5...100 500 1600 60 2 0,5 4...8 0,8...3,2

ВО 30...350 3...50 300 900 45 2 0,2 7...9 3,2...12,5

ф 20...300 0,5...100 100 1000 35 2 0,3 6...8 3,2...12,5

п 10...150 2...20 200 - 32 2 0,5 6...7 1,6...3,2

ш 20...400 0,5...100 500 1600 70 2 0,5 Св. 2 0,2...0,8

-430 -

Приложение 6

Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований

Выявление закономерностей изменения характеристик сложного многофакторного процесса и решение задачи их оптимизации предполагает построение функциональных зависимостей выходных характеристик от факторов:

Функция (П.1.1) представлялась в виде регрессионного полинома второго порядка:

где 0 - вектор неизвестных параметров регрессионной модели; .V - вектор технологических факторов процесса накатывания; /(х) - вектор аргументов модели известных функций от факторов.

В качестве аргументов модели использовались аргументы полиномов первого и второго порядков. Дальнейшее повышение степени аргументов при исследовании напряженного состояния сопровождается существенным усложнением модели и является не эффективным.

Для обеспечения наибольшей точности оценок параметров модели и наибольшей точности прогноза выходной характеристики в качестве факторных планов при построении регрессионных моделей вида (П1.2) использовались планы, близкие к Д-оптимальным. Оценки дисперсии воспроизводимости эксперимента производились по формуле:

(П6.1)

т т

У = в Г(х) = ^вихіх]

(П6.2)

і=0 ¡=о

(П6.3)

где у у — значение выходной характеристики в і-м опыте і-ой серии; Уі~ среднее значение характеристики в ¡-ой серии; п - число дублирующих опытов в каждой серии; N — число серий опытов.

- 432 -

Информативность модели оценивалась с помощью дисперсионного отношения:

К,

(П6.6)

sL{y}'

где S2\ycp\ - дисперсия отклонений фактических значений yt от их среднего значения уср\

$ост{у } _ остаточная дисперсия отклонений предсказанных значений У'1 от их фактических значений у-,. В качестве критерия адекватности регрессионной модели использовалось дисперсионное отношение:

s2e{yj

рр _ а V/ ср.

(П6.7)

Чем меньше значения (П.1.7), тем более обоснованным является предположение об адекватности модели.

Обработка результатов экспериментов проводилась на ПЭВМ IBM PC в пакете STATISTICA 5.1, являющемся стандартом в области статистической обработки данных.

«УТВЕРЖДАЮ» Проректор по ууейцой работе Муромского ш^^^^^лиала) Вл ад и м и ^рё^^^^нного

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы А.В.Киричека на тему «Обеспечение качества несоосных винтовых механизмов деформационным упрочнением сопрягаемых деталей»

в учебном процессе института

Мы, нижеподписавшиеся, начальник учебного отдела Педя Т.Н., декан машиностроительного факультета к.т.н., заведующий кафедрой «Инструментальное производство» д.т.н., профессор Игнатов С.Н., доценты кафедры «Инструментальное производство» к.т.н. Лазуткина H.A., к.т.н. Соколик Н.Л., к.т.н. Широков Ю.Л. составили настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы Киричека A.B. использованы в учебном процессе кафедры «Инструментальное производство» при:

• подготовке курса лекций «Технология автоматизированного инструментального производства», которые читает профессор Игнатов С.Н.;

• подготовке курса лекций «Технологические процессы и оборудование обработки пластическим деформированием», которые читает доцент Широков Ю.Л.;

• подготовке курса лекций «Теория формообразования сопряженных поверхностей», которые читает доцент Соколик Н.Л.;

• подготовке курсов лекций «Основы конструирования и проектирования машин», «Прикладная механика», которые читает .доцент Лазуткина H.A.;

• постановке трех лабораторных- работ под общим названием «Технологическое обеспечение качества деталей машин методами ППД» на кафедре «Технология машиностроения» в 1994 г.;

• постановке лабораторной работы «Влияние способа профилирования на распределения нагрузки по виткам резьбонакатных роликов» на кафедре «Инструментальное производство» в 1998 г.;

• постановке лабораторной работы «Исследование влияния способа изготовления на долговечность ходовых резьб» на кафедре «Инструментальное производство» в 1998 г.

• постановке лабораторной работы «Исследование напряженного состояния витка ходового винта оптическим методом» на кафедре «Инструментальное производство» в 1998 г.;

• постановке лабораторной работы «Определение экстремальных напряжений ходового винта методом тензометрии» на кафедре «Инструментальное производство» в 1998 г;

• написании и издании учебного пособия «Курсовое проектирование по технологии машиностроения» для студентов специальностей 1201, 1202, 0608. (изд. первое, 1997 г. - 75 е.; изд. второе, 1998 г. -145 е.), рекомендованного УМО по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов ВУЗов, обучающихся ло~ направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»; специальностей: «Металлорежущие станки и инструменты», «Технология машиностроения».;

• написании и издании в 1998 г. учебного пособия «Инструмент и технология резьбоформообразования» для студентов специальностей 1201, 1202, 0608. (152 е.), рекомендованного Министерством общего и профессионального образования РФ в качестве учебного пособия для студентов ВУЗов, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация