автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение точности расчетов на прочность деталей машин и механизмов, подвергнутых дозированному деформированию

На правах рукописи

ОТРАДНЫЙ Вячеслав Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЁТОВ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ДОЗИРОВАННОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы

приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган - 2005

Работа выполнена на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов Курганского государственного университета

Научный руководитель: заслуженный машиностроитель РФ,

доктор технических наук, профессор Бубнов Валерий Андрианович

Официальные оппонешы: доктор технических наук, профессор

Лопатин Борис Александрович

кандидат технических наук, доцент Ратманов Эдуард Владимирович

Ведущее предприятие - ОАО «Кургандормаш»

Защита состоится « 40у> фе $р<А/1 Я 2005' г. в на заседании диссер-

тационного совета Д212.103.01 в Курганском государственном университете (640669, г. Курган, ул. Гоголя, 25, КГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского государственного университета.

Автореферат разослан » ^РОСь^аХ/ 2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета / ' Г.П. Дрововозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большое количество деталей машин и механизмов, применяемых в современном машиностроении, изготавливается различными деформационными методами, при реализации которых происходит упрочнение. Эффект Деформационного упрочнения сталей в настоящее время глубоко изучен с физической точки зрения и широко используется в промышленности. Это относится к деталям, изготовление которых ведётся с применением различных деформационных методов (валы, торсионы, пружины и др.), в том числе детали различных конфигураций, для которых применяется поверхностный наклёп (оси, валы, шестерни, рессоры и др.). В большинстве случаев деформационное упрочнение в расчётах на прочность и усталость не учитывается. Исключения весьма немногочисленны, например заневоливание пружин, торсионов. Большинство деталей, претерпевающих такую деформацию, рассчитываются как неподвергающиеся упрочнению.

Причиной такого положения является отсутствие достоверных количественных данных и зависимостей прочностных и усталостных характеристик от величины объёмной деформации для различных конфигураций и материалов деталей.

Особенно важно располагать такими зависимостями для аустенитных сталей, которые подвержены деформационному упрочнению в наибольшей степени и широко применяются для изготовления деталей машин в химической, медицйнской, энергетической, атомной, пищевой и других отраслях промышленности.

Недостаточно исследовано влияние дозированной деформацйй на ударную вязкость, износостойкость качественных'конструкционных сталей. Отсутствуют зависимости, позволяющие рассчитывать влияние дозированной деформации на несущую способность деталей, работающих при статических напряжениях. Детали машин из качественных конструкционных сталей широко используются в условиях статических, ударных нагрузок и при износе, что делает актуальным исследование пределов текучести и прочности, а также твёрдости, ударной вязкости и износостойкости этих сталей в зависимости от степени предварительной деформации.

Примером деталей, для которых актуален учёт влияния дозированного деформирования на несущую способность и долговечность, являются кольцевые детали стенок (обечайки) роторов фильтрующих центрифуг, широко применяемых в химической, медицинской, пищевой, атомной промышленности и бытовой технике.

Таким образом, повышение несущей способности и долговечности деталей машин (роторов, колец, валов, осей, пружин, оболочек) дозированным деформированием и учёт этого повышения на этапе проектирования является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - улучшение массогаба-ритных характеристик деталей машин, подвергаемых дозированной деформации за счёт уточнения расчётов на прочность и усталость.

Для достижения этой цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

- установлены зависимости пределов выносливости от степени деформации аустенит-ных сталей в деталях; установлено влияние степени деформации на механические свойства и циклическую прочность этих сталей; исследован механизм деформационного упрочнения аустенитных сталей;

- с целыо учёта при проектировании деталей машин и механизмов из качественных конструкционных сталей установлены зависимости расчета динамической, статической прочности и износостойкости этих сталей в зависимости от степени их деформации;

- рассмотрены вопросы управления полем остаточных напряжений, пути снижения местных напряжений в деталях машин с концентраторами дозированным нагружени-ем, учйт уменьшения коэффициентов концентрации напряжений при проектировании;

- выработаны рекомендации по конструированию деталей машин из малоуглеродистых, качественных конструкционных и сталей аустенитного класса с учётом влияния дозированной деформации на их несущую способность.

Методы исследований. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики. Аппроксимация экспериментальных кривых проводилась методами наименьших квадратов, сплайновой аппроксимацией с использованием нелинейной модели накопления усталостных повреждений Гатса. Расчёт эпюр напряжений в детали с концентратором был теоретически выполнен с помощью решения математической модели, в виде стержневой аппроксимации детали. В теоретических исследованиях использовались следующие программные пакеты: Microsoft Excel. Matcad 2001 и графической параметрическая система T-FLEX Parametric CAD 7.0. Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- установлены зависимости, связывающие предел выносливости (a.i) сталей аустенитного класса и степень их деформации (ен) для расчёта на прочность при цикличе-

ски меняющихся напряжениях материала деталей машин, упрочненного дозированной деформацией;

- предложен механизм деформационного упрочнения по пределу выносливости сталей аустенитного класса, подвергаемых дозированному деформированию;

- получены математические зависимости значений основных механических характеристик (сго.2 т, <?в, 5ц), у/%) качественных конструкционных сталей после деформационного упрочнения от степени деформации (¿о), для учёта изменения этих свойств в расчётах на прочность деталей машин;

- предложен механизм влияния предварительного дозированного нагружения на несущую способность и долговечность деталей с концентраторами напряжений.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- выработаны рекомендации по конструированию деталей машин для учета влияния дозированного деформирования на механические свойства материала деталей;

- разработан способ определения пределов выносливости сталей аустенитного класса после деформационного упрочнения по магнитным свойствам, позволяющий сокращать время и материальные затраты на такие испытания;

- разработан ряд конструкций роторов фильтрующих центрифуг с повышенной несущей способностью, с уменьшенной толщиной стенки за счёт предварительного дозированного нагружения растяжением.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению циклической прочности И эксплуатационных свойств деталей из сталей аустенитного класса дозированным деформированием.

2. Способ определения пределов выносливости (о:,) сталей аустенитного класса после деформационного упрочнения измерением их магнитных свойств.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния дозированного нагружения деталей с концентраторами на их долговечность на примере плоской детали с круговым концентратором.

4. Зависимости для расчёта механических и физических характеристик качественных конструкционных сталей в деталях машин после деформационного упрочнения.

Реализация работы. По результатам работы разработан ряд конструкций роторов фильтрующих центрифуг с кольцевой деталью стенки ротора, подвергаемой до-

iкропанному деформированию после выполнения перфорационных отверстий. Усовершенствованная методика расчёта роторов фильтрующих центрифуг и конструкции роторов приняты к техническому использованию на ОАО «Курганхиммаш». Получен патент (Пат. 2265213, МКИ G01 В7/24; Опубл. 27.11.05. Бюлл. № 33.) на способ определения предела выносливости аусгенитных сталей, упрочненных дозированной деформацией.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: научной конференции «Динамика и прочность» (XVII Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций, Миасс, 1998 г.); научно-практической конференции IV зауральского фестиваля научно-исследовательского, технического и прикладного творчества молодёжи «Новые горизонты», Курган, 2002 г., а также на научных семинарах кафедры теоретической механики и сопротивления материалов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 151 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх разделов, содержит 4 приложения, 55 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 91 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены детали машин и механизмов, при изготовлении которых применяются различные виды деформации (рис. 1). Представлены детали, в технических требованиях к которым закладывается деформационное упрочнение, учитываемое в прочностных расчётах. Во многих деталях этот процесс, влияющий на их работоспособность, закладывается в технические требования («заневоливание» винтовых цилиндрических пружин, нагартовка листовых пружин, деформация растяжения роторов центрифуг и другие детали). Конструирование таких деталей выполняется с учётом изменения свойств под действием предварительной дозированной деформации. Данный вопрос анализируется на основании работ Е.П. Унксова, E.H. Мошнина, М.И. Лысова, H.H. Малинина, И.В. Кудрявцева, В.А. Бубнова, И.А. Один-га, А.В Третьякова и других авторов. Известно повышение сроков службы деталей, упрочнённых поверхностным наклёпом, рассматриваемое у следующих авторов: В.Г1. Когаева, C.B. Серснсена, И.А. Биргера, Г. Б. Иосилевича, М.М. Саверина.

Детали типа колец (Ф + С)

Детали типа змеевиков (Ф)

Детали типа оболочек (Ф)

Детали типа стаканов (Ф + С)

ш

=+=

Детали типа дниш (Ф)

Элементы роторов центрифуг (Ф + С)

Пружины (Ф+С)

(С)

Детали типа шестерни

(С)

Винты

(С)

Валы и оси

(С)

-— ---

литера (Ф) - детали, при изготовлении которых используется деформация для формообразования; литера (С) - детали, для которых может быть применено деформационное упрочнение (изменение свойств)

Рис. 1. Детали, при изготовлении которых применяется деформация

Анализ конструкций деталей, в которых используется деформационное упрочнение, показал, что в машиностроении часто применяется поверхностный наклёп, хорошо изученный в литературе. Вопрос упрочнения деталей при дозированном объёмном деформировании недостаточно рассмотрен исследователями. Упрочнение деталей дозированным, объёмным нагружением необходимо учитывать при расчёте их на прочность и долговечность. Актуален учёт деформационного

упрочнения деталей машин, работающих при циклических напряжениях. Ответственные детали машин часто изготавливают из хромоникелевых сталей аус гени и юго класса, таких как 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, поэтому исследование несущей способности деталей из этих сталей является важной задачей настоящей работы.

Многие детали машин, такие как валы, оси, зубчатые колёса, изготавливаются из качественных конструкционных сталей марок: 35, 40, 40Х, 45 и т. д. Указанные стали широко используются при изготовлении ответственных деталей вследствие более высокой прочности и более стабильных механических свойств по сравнению с малоуглеродистой сталью обычного качества.

Детали из этих сталей обычно используют после термической обработки, но часто применяются детали из качественных конструкционных сталей в незакалённом состоянии. Из анализа работ многих авторов можно заключить, что поверхностный наклёп в некоторых случаях может увеличивать ресурс по критерию износа. Известно, что наклеп изменяет твёрдость (ИВ) материала, которая в свою очередь влияет на его износостойкость. Вопрос влияния дозированного нагружения (деформирования) на прочность и износостойкость деталей из качественных конструкционных сталей сформулирован в задачах исследования.

Форма деталей влияет на их прочность и эксплуатационные свойства, следовательно, при проектировании необходимо учитывать влияние предварительного дозиро нагружения на несущую способность деталей с концентраторами. Известно повышение прочности таких деталей от внутренних напряжений, возникающих при поверхностном наклёпе. Недостаточно изучено влияние дозированного нагружения на несущую способность деталей машин с концентраторами, поэтому важной задачей исследования в работе является управление полем остаточных напряжений и пути снижения местных напряжений в деталях машин с концентраторами дозированным нагружением.

На основе актуальности исследований и состояния вопроса поставлена цель работы и пути решения поставленных в ней задач.

Во второй главе рассмотрено применение деталей и узлов из сталей аустенит-ного класса. Такие детали как роторы центрифуг, валы, оси машин и механизмов пищевой, медицинской, химической промышленности и бытовой техники часто изготавливают из сталей аустенитного класса. Эти стали обладают высокой прочностью, пластичностью, стойкостью в химически активных средах и при низких температурах. Область применения деталей из сталей данного класса обусловливает актуальность повышения их эксплутационных свойств дозированной деформацией и необходимость уча а этих свойств в расчетах.

Исследовался класс сталей на примере стали 12Х18Н10Т. Установлено, что данные стали не снижают динамическую прочность и пластичность при большей способности к деформационному упрочению, чем стали марок: Ст. 3, 16ГС, 17ГС. Выполнено исследование циклической прочности образцов указанной стали и построены кривые выносливости в зависимости от степени деформации. Проведено сравнение пределов выносливости стали на образцах и обработка результатов усталостных испытаний при помощи линейного регрессионного анализа на основе методов, содержащих нолуэмпи-рические модели накопления усталостных повреждений Гатса.

Обработаны результаты испытаний (рис. 2) полиномом 2-й степени и получена функция:

о:/ш=<*/„„+( 5,7-0,06й1,)£&, (1)

где <т./ т и ст./ исх - предел выносливости упрочнённой стали и предел выносливости исходной стали соответственно.

Получена функция для определения предела выносливости <т.,П1 стали аустенитно-го класса после деформационного упрочнения по её пределу прочности (од„7):

ст./„,=ег./„„+0,69сгд ш-512,9. (2)

»-I. МП» к<тгч,

лв

ли

що

26« 22в

О 5 10 1) 20 1,,% О I 2 3 р

Рис. 2. Связь между пределом Рис. 3. Тарировочные кривые для

выносливости гг./ и степенью определения коэффициентов

деформации е„ стали 12Х18Н1 ОТ упрочнения аустенитных сталей

Исследованы магнитные свойства упрочнённых сталей. Разработан экспресс метод определения циклической прочности аустенитной стали после деформационного упрочнения по её магнитным свойствам (рис. 3).

Приведены экспериментальные исследования по влиянию дозированной деформации на прочность и износостойкость деталей из качественных конструкционных сталей. Рассмотрен вопрос изменения свойств деталей, упрочнённых дозированным деформированием (валов, осей, винтов, всевозможных стержней, крепёжных элементов), и учёт этого изменения по материалам других исследований.

КСи,Дж/ем'

40

30 10 10 О

Рис. 4. Влияние дозированного деформирования на ударную вязкость КС и стали 45

Таблица 1

Аппроксимация результатов испытаний стали 45

№ п/п Параметр Результаты аппроксимации

1 Относительный предел текучести Оо ¡ п,=(То 2 „«*( 1 +(25,6-1,59í¡,)é¡,« 10"2)

2 Предел прочности Ой„,=ад „„*( 1+(52,2-3,7 so)** 10'3)

3. Максимальное относительное удлинение Ów= 15-(0,077ÍÍ,+0,522)Í»

4 Относительное сужение V* =50,4- (0,38^+2,29 )ЕО

Примечание' (Tain, о»„, - пределы текучести и прочности обработанной стали, cr,j ¡ „„ <тц „и, - пределы текучести и прочности исходной стали

Экспериментально определялось влияние дозированного деформирования конструкционной качественной стали на её ударную вязкость. При разработке деталей из таких сгапей может быть задана степень деформации до 1,5 % (рис. 4). Математической обработкой результатов экспериментов получены зависимости механических и физических свойств стали 45 от степени деформации (таблица 1), позволяющие их использовать в расчётах деталей при проектировании.

Результатом испытаний на износостойкость по абразивным частицам и по стали 40Х является незначительное влияние предварительного дозированного деформирования на износостойкость данной стали. Изменение относительной износостойкости незначительно для учёта в машиностроительных расчётах, поэтому не может являться фактором, ограничивающим использование дозированной деформации. При проектировании деталей машин из качественных конструкционных сталей в ряде случаев может быть целесообразным закладывать дозированное нагружение для повышения их несущей способности в соответствии с предложенными зависимостями.

В третьей главе теоретически и экспериментально исследовано влияние дозированной деформации на долговечность деталей машин с концентраторами напряже-

ний на примере пластины с круговым концентратором. Величина теоретического коэффициента концентрации напряжений в практических расчётах определяется по зависимостям и справочным материалам для различных элементарных форм деталей в зависимости от вида нагрузки. В вершине концентратора напряжений возникает объёмное напряжённое состояние с максимальными значениями напряжений (т„ах, которое связано с номинальными напряжениями«?^:

«¡гки==Я<тО',«ш, (3)

где а„ - теоретический коэффициент концентрации напряжений, принимаемый в зависимости от геометрии концентратора и вида напряженного состояния.

Сопротивление деталей с концентраторами циклическим нагрузкам зависит от величины и скорости убывания напряжений - градиента напряжений, который характеризуется тангенсом угла в наклона касательной к эпюре распределения напряжений

у поверхности в0= — ® ^в, а в расчётах используется относительный градиент С (Ы

(1/мм) первого главного напряжения:

Значения а„ С могут быть найдены с помощью теоретических решений Нейбе-ра. Влияние масштабного фактора на предел выносливости хорошо учитывается статистическими теориями усталостного разрушения, из которых следует, что действие эффекта концентрации напряжений идентично при любом виде концентратора напряжений (ГОСТ 25.504-82).

Теоретическое исследование кругового концентратора в пластине неограниченных размеров выполнено с помощью известного математического решения Кирша в полярных координатах.

Графически построены напряжения в детали ротора фильтрующей центрифуги (рис. 6 а) с диаметром ротора ~600 мм, выпускаемой на ОАО «Курганхиммаш». При растяжении кольцевой детали ротора центрифуги с "концентраторами напряжений (рис. 5 б) возникают пластические деформации (рис. 5 в), при снятии нагрузки возникают внутренние напряжения сжатия (рис. 5 г). Таким образом, у концентратора напряжений формируются остаточные сжимающие напряжения, которые снижают пики напряжений в детали при рабочих нагрузках (рис. 5 д).

Экспериментально определялся коэффициент концентрации напряжений при испытаниях образцов на циклическую прочность:

Ка=(т.11)/ а.юко», (5)

где Ка - эффективный коэффициент концентрации напряжений, (т„ц>кш - предел

выносливости образца с концентратором напряжений, а.щ - пределу выносливости такого же эталонного образца без концентратора.

а)

в)

бр^-тмпа

д)

а) ротор центрифуги, испытывающий рабочие напряжения аб) предварительное растяжение кольцевого элемента ротора центрифуги; в) эпюры: I- напряжений при растяжении; 2 - распределения упругих напряжений при разгрузке; г) результирующая эпюра остаточных напряжений 3; д) результирующая эпюра 4 при рабочих напряжения растяжения а^ - 117 МПа; 4' - тоже без предварительного растяжения

Рис. 5. Формирование остаточных напряжений у концентраторов в роторе

Рис. 6. Аппроксимация сплошной пластины стержневой фермой и эпюра напряжений оу около концентратора от равномерно распределённой нагрузки Р

Рис. 7. Зависимость величины остаточных напряжений сжатия 1Ж от напряжения растяжения

Аналитически исследовано при помощи модели распределение напряжений в пластине с концентратором (шириной В=50 мм, диаметром отверстия ¿/=18 мм), растягиваемой равномерно распределенной нагрузкой (рис. 6). По теоретической зависимости величины остаточных напряжений от напряжения растяжения (рис. 7) определена оптимальная величина напряжения растяжения пластины.

Испытаниями на циклическую прочность подтверждено увеличение долговечности деталей с концентраторами более, чем в 2 раза после растяжения на степень деформации £и=0,12%, что соответствует снижению эффективного коэффициента концентрации напряжений Л^на 13%.

В четвёртой главе выполнена сравнительная оценка несущей способности и надёжности ротора центрифуги на примере выпускаемой на ОАО «Курганхиммаш» (рис. 8). На указанную деталь действуют краевая сила С!о и краевой момент А/», действующие в узлах сопряжения обечайки с днищем. Расчёт на прочность кольцевого элемента ротора ведётся согласно третьей теории прочности (наибольших касательных напряжений), согласно которой в расчёте не учитываются меридиональные и радиальные напряжения в материале детали.

Рис. 8. Расчётная схема ротора центрифуги

Запас прочности ротора по пределу выносливости п0 ниже запасов прочности по пределу текучести «7=1,8 и пределу прочности «д=3.

Для несимметричного цикла нагружения стенки ротора центрифуги:

вроторе- па --—-=1,4, а после упрочнения п„ --—-=1,58,

-2-ст,. + УА ~— + (е„о.

Е е

где Ка,д - коэффициент концентрации напряжений после дозированного нагружения, стт и О)- - постоянная и переменная составляющие напряжения соответственно, у„ -коэффициент асимметрии цикла.

Вероятность неразрушения неупрочнённого ротора Я/=0,65, а фактический статистический запас прочности: л. = —1-— =—---—=0,64.

* №¡,(1 + *^,) 4,25 (1 + 2 0,2)

п „ _ о _ 8,414 (1-2

Для упрочнённого ротора /?,,=0,75: и. = —5-—=---— =0,704.

' 1 р н ' * №¡,(1 + *^) 4,25 (1 + 2 0,2)

Таким образом, предварительное дозированное нагружение ведёт к повышению величин от, ег«, а./, а также к снижению эффективного коэффициента концентрации напряжений, принимаемых в расчётах. Надёжность роторов фильтрующих центрифуг, на которые закладывается предварительное дозированное нагружение, повышается за счёт повышения показателей прочности материала детали и за счёт снижения эффекта концентрации напряжений, что следует учитывать в расчётах.

Для расчёта ротора центрифуги определяется допускаемое напряжение по зависимости (ОСТ 26-01-1271-81):

о,

1пт "я

(6)

где о) - минимальное значение предела текучести при расчётной температуре, од - минимальное значение предела прочности при расчётной температуре, - поправочный коэффициент согласно. Таким образом, для задания допускаемых напряжений в таких деталях можно использовать уточнённую формулу:

Н=.Г тт

куп шан » (7)

где ку„ К„„ =1,11 - коэффициент упрочнения детали с концентратором, подверженной предварительному нагружению, определённых на основании проведённых сравнительных экспериментальных исследований.

Результаты исследований использованы для разработки конструкций роторов центрифуг, выпускаемых на ОАО «Курганхиммаш» (рис. 8). В технических требованиях на кольцевую деталь ротора с перфорационными отверстиями закладывается степень деформации растяжением ¿«=0,12+0,5%. Учёт изменения механических характеристик материала позволил увеличить допускаемое напряжение и снизить толщину стенки. Снижение толщины стенки ротора от изменения механических характеристик составляет 15,6 %, а от снижения эффекта концентрации - 10,03 %, суммарное снижение толщины составляет 25,63 %.

Таким образом, повышение допускаемого напряжения в расчёте позволяет разрабатывать более надёжные конструкции роторов центрифуг. Снижение толщины стенки ротора позволяет экономить дорогостоящий материал роторов, снизив их массу (на 3 -10 кг).

Далее в главе рассмотрены результаты исследований, проведенных в работе, приведены разработанные зависимости для материала деталей (таблица 2) и рекомендации для деталей с концентраторами напряжений, которые уточняют допускаемые напряжения, совершенствуя тем самым методы расчета таких деталей.

Предлагается: 1. Повышать точность расчетов деталей на основании зависимостей, позволяющих рассчитывать механические свойства малоуглеродистых сталей, качественных углеродистых сталей и сталей аустенитного класса, подвергнутых дозированному деформированию и закладываемому при их изготовлении.

2. При конструировании в технические требования на детали машин и механизмов с концентраторами закладывать дозированную деформацию в направлении рабочих нагрузок для создания остаточных напряжений, снижающих пики местйых напряжений на основании разработанных рекомендаций.

3. Проектировать машины и механизмы с использованием деталей, в которых дозированная деформация закладывается в технических требованиях для повышения их несущей способности и эксплуатационных свойств на основании зависимостей для расчета свойств материала и рекомендаций для деталей с концентраторами.

Таблица 2

Значения механических характеристик сталей в зависимости от степени деформации для назначения ее оптимальной величины

Марка материала £0,% от (<*»), МПа "Й МПа о--/. МПа НВ кси, Док/ см2 Я/о, % * эмпирическая зависимость

Ст. 3 2,5 +36% +8% -10 +10% - 24,5 56 •(1+(11,6-0,38«&)£&*10"2)

5 +58% +12% -15 +18% -3,8 19 55

45 0,5 +5% +11% - +0,5% - 15 50 *(1+(52,2-3К)'*)' *(1+(25,6А&ео^КГ1) б» -15-(0,077^ +0, 522)/% (К<=50,4-(0,38в^2Д9)в|

1,5 +9% +17% - +6% -13% 13 42

12Х18Н10Т 2,5 25% 5% +5% - 0 27 63 «,• (1+' 10"') ОГ^ОГш,* ЧИ93,4-2,4^'10 !) " о-„„=<г.ю+(5,7-0,0б£ь)а

5 38% 5.3% +9,6% - -0,1% 23 63

12 77% 16% +21% - -0,7% 21 62

Примечание: аьгт т - пределы текучести и прочности стали после дозированного деформирования, ац.заа. <тгисх, о» »яп - пределы текучести и прочности «сходной стали.

На основании проведённых исследований предлагается усовершенствование методик расчёта деталей машин и аппаратов путем введения в расчеты разработанных зависимостей, позволяющих повысить допускаемое напряжение в деталях, упрочнённых дозированным нагружеиием (деформированием).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить, что объемное дозированное деформирование в деталях из малоуглеродистых, качественных конструкционных и аустенитных сталей повышает не только предел текучести, предел прочности, твёрдость, а также предел выносливости (<т./) материала. * Наибольший эффект упрочнения наблюдается у пластичных сталей.

2. Экспериментальные исследования влияния дозированного деформирования на ме- » ханические свойства аустенитных сталей в интервале степеней деформации «0=0,5-^2,5% показывают существенное увеличение прочностных характеристик, так

при £¿=2,5% увеличение составляет: оу- на 27 %, <гд на 2,5 %, <Х/ на 5% от исходных значений. Установлено, что <х/ аустенитных сталей активно повышается с увеличением Ео в широком интервале исследований Еа=0+20%. Получены количественные значения зависимости a.t от степени деформации ео в этом интервале. Так, повышение предела выносливости аустенитных сталей aii при степени деформации £ь =20% составляет -30% и является резервом несущей способности, надежности и долговечности деталей из таких сталей. Высокое увеличение статической и циклической прочности этих сталей объясняется протеканием в этих сталях деформационного упрочнения за счёт превращения аустенита в мартенсит и за счёт дислокационных процессов. Для кольцевых деталей из аустенитных сталей типа 12Х18Н10Т, работающих в условиях циклически меняющихся напряжений, может быть рекомендовано задание дозированной деформации степенью до 2,5%.

3. Разработан способ определения предела выносливости (<*/) аустенитных сталей после деформационного упрочнения, позволяющий экономить материальные и энергетические ресурсы по проведению испытаний на циклическую прочность.

4. Установлены зависимости для расчёта пределов текучести (<тг), прочности (<тц) и показателей пластичности качественных конструкционных сталей в деталях после деформационного упрочнения. Рекомендуемой степенью деформации для таких сталей является величина не более 1,5%.

5. На основании теоретических исследований выдвинута гипотеза о возможности снятия пиков местных напряжений в деталях с концентраторами напряжений дозированным деформированием. Отмеченная гипотеза экспериментально подтверждена - уста- <* новлено повышение несущей способности деталей машин с круговым концентратором

после деформационного воздействия со снижением эффективного коэффициента кон- ,

центрации Ка на 13%, что позволяет дополнительно поднимать допускаемое напряже-

I I

ние на 10%. Предложен рад конструкций роторов фильтрующих центрифуг, кольцевые детали которых подвергаются дозированному деформированию. При задании дозиро-

ванной деформации в деталях с концентраторами необходимо вести к тому, чтобы в зоне концентратора сформировать остаточные напряжения, противоположные рабочим напряжениям. Рекомендуемая степень деформации для формирования этих напряжений составляет £¿,=0,12-^0,5%. Результаты работы приняты к техническому использованию на предприятии ОАО «Курганхиммаш» и подтверждены актами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бубнов В. А., Отрадный В. В. О модуле продольной упругости при пластической деформации // Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб. науч. трудов. -Курган: Изд-во КГУ, 1997.- С. 116 -120.

2. Отрадный В.В., Бубнов В.А. Влияние пластической деформации на прочностные характеристики металлов и работоспособность деталей машин // XVII Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тезисы докладов.-Миасс: Миасский научно-учебный центр, 1998.- С.63.

3. Отрадный В. В. Повышение усталостной прочности пластическим упрочнением // Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского государственного университета- Вып. II.- Курган: Изд-во КГУ, 2000. - С.109 - 111.

4. Отрадный В. В. Комплексная оценка способности аустенитных сталей к пластическому упрочнению // Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского государственного университета. Вып. III.- Курган: Изд-во КГУ, 2001.- С. 30-33.

5. Отрадный В. В., Бубнов В. А. Работоспособность стальных деталей, подвергаемых объёмному упрочнению пластическим деформированием // Известия вузов. Машиностроение. -2002.- № 4,- С. 18-26.

6. Отрадный В. В. Работоспособность стальных деталей, подвергаемых объёмному упрочнению пластической деформацией // Новые горизонты. IV зауральский фестиваль научно-исследовательского, технического и прикладного творчества молодёжи: Тезисы докладов областной научно-практической конференции. -Ч. I - Курган, 2002. - С. 12-13.

7. Отрадный В. В., Уманская О. Л. Расчёт напряжённо-деформированного состояния и прочности элементов с концентрацией напряжений // Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского государственного университета. Вып. V.- Курган: Изд-во КГУ, 2003.- С. 18-21.

8. Бубнов В.А., Костенко С.Г., Отрадный В.В. Определение предела выносливости аустенитных сталей, подвергаемых пластическому деформированию // Вестник Курганского университета - Серия «Технические науки»,- Вып. 2. - Курган: Изд-во КГУ, 2005. - С. 23-26.

9. Пат. 2265213, МКИ G01 В7/24. Способ определения предела выносливости стали аустенитного класса / Бубнов В.А., Костенко С.Г., Отрадный В.В. (РФ). -№ 2004105365; Заявл. 24.02.2004; опубл. 27.11.05. Бюлл. № 33. - 5 С.

ОТРАДНЫЙ Вячеслав Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЁТОВ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ДОЗИРОВАННОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать &4Я.06. Усл. печ. л. 1,0 Бумага тип. № 1

Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Уч.-изд. д. 1,5

Заказ № Ц && Бесплатно

Издательство Курганского государственного университета 640669, г. Курган, ул. Гоголя, 25. Курганский государственный университет.

f

ЗА

ВВЕДЕНИЕ.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ДОЗИРОВАННЫМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ.

1.1. Анализ исследований влияния наклёпа на механические свойства материала деталей.

1.2. Циклическая прочность упрочнённого материала деталей.

1.3. Остаточные напряжения после пластической деформации материала деталей и их влияние на несущую способность деталей машин с концентраторами напряжений.

1.4. Оценка влияния деформационного упрочнения на прочность и износостойкость деталей машин и механизмов.

В современном машиностроении большое количество деталей и узлов из конструкционных материалов изготавливается с применением разнообразных деформационных методов. Работоспособность и эксплуатационные свойства таких деталей активно меняются при предварительном деформировании материала деталей, так как данный процесс приводит к изменению физических и механических свойств материала и формированию остаточных напряжений в них.

При разработке различных машин и механизмов для деталей используют различные методы их упрочнения, закладываемые в технических требованиях. Применение деталей машин и механизмов, упрочнённых деформационными методами, диктуется необходимостью экономии материалов и энергоресурсов. В машиностроении применяются самые различные классы деталей, в конструкции которых закладывается деформационное упрочнение для повышения их несущей способности и эксплуатационных свойств [5,6, 38, 84]. Существование большого количества таких деталей объясняется также разнообразием методов изготовления, содержащих процессы деформирования, их прогрессивностью по производительности и экономической эффективности [8, 10, 79].

Вопрос применения деформационного упрочнения и учёт возможного изменения свойств материала после дозированного деформирования актуален ещё на этапе проектирования деталей. Это особенно актуально в свете того, что качественные характеристики массовых видов отечественной техники, в первую очередь по показателям надёжности, значительно уступают зарубежным аналогам [64]. Так, ресурс отечественных автотранспортных средств на 200-400 тыс. км ниже, чем зарубежных. Аналогичное положение с показателем «наработки на отказ» нашей сельскохозяйственной техники [24]. Ресурс машины определяется долговечностью её составляющих деталей. Многие детали (валы, шестерни, оболочки, корпусные детали) подвержены циклическим нагрузкам и разрушению от усталости, а также износу. Недостаточная надёжность выпускаемой техники по данным на 1990 год влечёт огромные расходы на её ремонт (более 49 млрд. руб. в год), не учитывая отвлечения на эти цели трудовых ресурсов и организации производства запасных^ частей [64]. По данным указанного автора, причиной низкой надёжности техники являются в основном просчёты, допускаемые на этапе её проектирования при не учёте конструкторами некоторых факторов, значительно влияющих на работоспособность, разрабатываемых деталей.

Таким образом, повышение несущей способности и эксплуатационных свойств деталей дозированным деформированием и учёт этого повышения на этапе проектирования является актуальной задачей, способствующей экономии энергии и материалов при изготовлении и доводке конструкций.

Для деталей из пластичных сталей (малоуглеродистая, качественная конструкционная сталь, аустенитная сталь) деформирование может закладываться из условий изготовления или из требований к конструкции деталей для задания им требуемых эксплуатационных свойств. Конструкция деталей обуславливает индивидуальные особенности применения предварительного дозированного деформирования (нагружения), которые необходимо учитывать при конструировании деталей. Например, в деталях машин и механизмов (валы, шестерни, сита, роторы сепараторов и центрифуг), работающих при статических, ударных нагрузках и износе необходимо учитывать изменение пределов прочности, текучести, твёрдости, ударной вязкости и износостойкости. При проектировании и расчётах многих деталей машин и механизмов (различные энергетические машины, автоклавы вулканизационные, роторы центрифуг, аппараты, работающие при чередовании давления или вакуума. и т. д.), необходимо учитывать изменение циклической прочности (¿т./).

Актуально также учитывать изменение циклической прочности деталей с концентраторами напряжений после дозированного деформирования, поэтому целью настоящей работы является улучшение массогабаритных характеристик стальных деталей машин, подвергаемых дозированной деформации за счёт уточнения их расчётов на прочность и усталость.

Для реализации цели в работе был выполнен ряд исследований, определяющих её новизну и практическую ценность. В работе установлены зависимости, связывающие пределы выносливости сталей аустенитного класса и степени деформации для расчёта на прочность при циклически меняющихся напряжениях, объяснён механизм этого упрочнения. Установлены зависимости между циклической прочностью упрочнённых сталей этого класса и их магнитными свойствами, разработан способ определения пределов выносливости этих сталей измерением их магнитных свойств. Предлагаются конструкции деталей с концентраторами напряжений с увеличенной несущей способностью, в технических требованиях к которым задаётся дозированное нагружение. При помощи разработанных математических зависимостей, предлагается учитывать значения механических и физических характеристик качественных конструкционных сталей, подвергнутых дозированному деформированию.

Таким образом, дополнительным резервом экономии сырьевых и энергетических ресурсов является, использование и учёт повышения несущей способности стальных деталей, подвергнутых дозированному деформированию по следующим положениям, вынесенным на защиту. 1) результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению циклической прочности и эксплуатационных свойств деталей из сталей аустенитного класса дозированным деформированием; 2) способ определения пределов выносливости (ст./) сталей аустенитного класса после деформационного упрочнения измерением их магнитных свойств; 3) результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния дозированного нагружения деталей с концентраторами на их долговечность на примере плоской детали с круговым концентратором; 4) зависимости для расчёта механических характеристик качественных конструкционных сталей в деталях машин после деформационного упрочнения.

Умение оценивать данный процесс даст большую свободу при разработке новых машин и позволит проектировать более удачные конструкции, с точки зрения их несущей способности, долговечности, надёжности, а также экономической целесообразности. Указанные факторы очень актуальны и, безусловно, важны для экономики большинства промышленных предприятий России.

•л

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ост, т0ст ~ нормальные и касательные остаточные напряжения соответственно;

Gj и тт- пределы текучести при нормальных и касательных напряжениях соответственно; стх, <Ту, сг2 - нормальные напряжения в направлении осей Ох, Оу, Oz соответственно;

Тху, Тр, т2Х- касательные напряжения в плоскостях осей ху, yz, zx соответственно;

Ек - модуль упрочнения;

Ей G- модуль продольной упругости и модуль сдвига соответственно; у - коэффициент Пуассона; ав аВсж - пределы прочности при растяжении и сжатии соответственно; е- относительная деформация (относительное удлинение);

0 и £уПр - относительная пластическая деформация и относительная упругая деформация соответственно; ъ и £ш - пластическая деформация, соответствующая пределу прочности и в момент образования шейки соответственно;

5- относительное удлинение образца {5=Л1/1)\

5i„ - логарифмическая деформация (5in=ln l/la= ln F/Fo); Si - интенсивность деформации; ц/- относительное сужение (y/=ÁF/F¿)\ аЕ- эквивалентное расчётное напряжение по условию прочности либо по условию пластичности; сг] и [гг]- допускаемые нормальные и касательные напряжения соответственно; стцт - длительный предел контактной выносливости;

5 - общий запас прочности; коэффициенты запаса прочности для нормальных и касательных напряжений соответственно;

Я-ю, коэффициенты запаса прочности по пределу выносливости для деталей и образцов соответственно;

7.1 и т1 - пределы выносливости при симметричном цикле для нормальных и касательных напряжений соответственно; т./£> и <Х/о у1ф- пределы выносливости не упрочненной и упрочненной детали соответственно; о-ти тт- постоянные составляющие циклически изменяющихся нормальных и касательных напряжений соответственно;

7-ш и аа - средние значения предела выносливости детали и амплитуды напряжений соответственно; сга и та— амплитуды циклически изменяющихся нормальных и касательных напряжений соответственно (соответствуют ограниченным пределам выносливости при построении кривых усталости);

7т и тт - постоянные составляющие циклически меняющихся напряжений нормальных и касательных соответственно; аЮупр эффективный коэффициент упрочнения (отношение предела К

У выносливости сг.юупр фактического упрочнённого образца к пределу выносливости эталонного сг.ш).

Као и КТо - общие коэффициенты снижения пределов выносливости деталей при изгибе, кручении, концентрации напряжений с учётом масштабного фактора; у/а и у/т - коэффициенты чувствительности к асимметрии цикла; тш - напряжение начала образования шейки при растяжении образца;

- исходная площадь поперечного сечения образца;

Р- истинная площадь поперечного сечения образца; ц/=(Г(г¥ш)/Р() - относительное сужение; тах ( ^шах) и сг„от (Тпот) ~ максимальные и номинальные напряжения соответственно; а„— а-\ико в в

АгиЫтеоретический коэффициент концентрации напряжений, зависящий от геометрии концентратора, размеров образца и вида напряжённого состояния; эффективный коэффициент концентрации напряжения (отношение предела выносливости эталонного образца <х1£) к пределу выносливости а.юкон такого же образца с концентратором напряжений). градиент нормальных напряжений и угол наклона касательной к эпюре распределения напряжений у поверхности соответственно; относительный градиент (1/мм) первого главного напряжения (направленного вдоль бруса); фактическая площадь контакта и нормальная нагрузка; условное напряжение растяжения (сжатия); КСи - ударная вязкость изгиба; ст. = выборочное среднее квадратичное отклонение; п-\ е п- 1=(х-а)/сг- квантиль распределения Стьюденса (при вероятности е);

Аа- предельную относительную ошибку (допуск) при оценке среднего значения, у- коэффициент вариации величины; ао,2 - условный предел текучести;

8м- максимальное удлинение образцов с отношением длины к диаметру рабочей части как 1:10; из,- относительная износостойкость йс7 с1п = ~КП(сг) - математическая форма гипотезы Гатса, где йап - текущее значение прочности материала; п - число циклов деформирования; П(а) - функция повреждённости. Й

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить, что объёмное дозированное деформирование в деталях из малоуглеродистых, качественных конструкционных и аустенитных сталей повышает не только предел текучести, предел прочности, твёрдость, а также предел выносливости (<т;) материала. Наибольший эффект упрочнения наблюдается у пластичных сталей.

2. Экспериментальные исследования влияния дозированного деформирования на механические свойства аустенитных сталей в интервале степеней деформации £о=0,5-5-2,5% показывают существенное увеличение прочностных характеристик, так при £-0=2,5% увеличение составляет: <уТ на 27 %, сгв на 2,5 %, ст./ на 5% от исходных значений. Установлено, что ст./ аустенитных сталей активно повышается с увеличением £0 в широком интервале исследований £о=04-20%. Получены количественные значения зависимости <х/ от степени деформации £0 в этом интервале. Так, повышение предела выносливости аустенитных сталей ст./ при степени деформации €о =20% составляет ~30% и является резервом несущей способности, надёжности и долговечности деталей из таких сталей. Высокое увеличение статической и циклической прочности этих сталей объясняется протеканием в этих сталях деформационного упрочнения за счёт превращения аустенита в мартенсит и за счёт дислокационных процессов. Для кольцевых деталей из аустенитных сталей типа 12Х18Н10Т, работающих в условиях циклически меняющихся напряжений, может быть рекомендовано задание дозированной деформации степенью до 2,5%.

3. Разработан способ определения предела выносливости (ст./) аустенитных сталей после деформационного упрочнения, позволяющий экономить материальные и энергетические ресурсы по проведению испытаний на циклическую прочность.

4. Установлены зависимости для расчёта пределов текучести (сгт), прочности (сгв) и показателей пластичности качественных конструкционных сталей в деталях после деформационного упрочнения. Рекомендуемой степенью деформации для таких сталей является величина не более 1,5%.

5. На основании теоретических исследований выдвинута гипотеза о возможности снятия пиков местных напряжений в деталях с концентраторами напряжений дозированным деформированием. Отмеченная гипотеза экспериментально подтверждена - установлено повышение несущей способности деталей машин с круговым концентратором после деформационного воздействия со снижением эффективного коэффициента концентрации Ка на 13%, что позволяет дополнительно поднимать допускаемое напряжение на 10%. Предложен ряд конструкций роторов фильтрующих центрифуг, кольцевые детали которых подвергаются дозированному деформированию. При задании дозированной деформации в деталях с концентраторами необходимо вести к тому, чтобы в зоне концентратора сформировать остаточные напряжения, противоположные рабочим напряжениям. Рекомендуемая степень деформации для формирования этих напряжений составляет ед= 0,12-^0,5%. Результаты работы приняты к техническому использованию на предприятии ОАО «Курганхиммаш» и подтверждены актами.

1. Бакши O.A., Зайнулин P.C. О снятии сварочных напряжений в сварных соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки // Сварочное производство. 1973.- №7.- С. 10-11.

2. Бернштейн М.Л, Займовский В.А. Механические свойства металлов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1979.- 235 С.

3. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 С.

4. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. М.: Наука, 1986.-560 С.

5. Бубнов В.А. Изменение механических свойств сталей при пластическом изгибе и последующем пластическом растяжении // Известия вузов. Машиностроение. 1989.-№ 12.-С. 3-6.

6. Бубнов В.А., Багрецова H.A. Усталостная прочность сталей при упрочнении холодным пластическим деформированием // Известия Вузов. Машиностроение. -1992.-№ 10-12.

7. Бубнов В.А., Отрадный В.В. О модуле продольной упругости при пластической деформации // Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб. науч. трудов. Курган: Изд-во КГУ, 1997.- С. 116 - 120.

8. Бубнов В.А. Повышение точности и несущей способности базовых деталей химических машин и аппаратов методами пластического деформирования: Дис. канд. Техн. Наук, Курган, 1989.-417 С.

9. Вайнберг Д.В. Концентрация напряжений в пластине около отверстий и выкружек. Киев: Техника, 1969. 220 С.

10. Вотинов В.А. Ресурсосберегающая технология изготовления роторов промышленных центрифуг на основе повышения точности сборочных элементов: Дис. канд. Техн. Наук. Защищена 29.06.00. - Курган: КГУ, 2000.- 159 С.

11. Герасимов В.Я., Парышев Н.В. Изменение предела текучести при осадке цилиндров из холоднотянутой стали // Сталь 1996. № 5. С. 50.

12. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1978. 568 С.

13. ГОСТ 1497-84 (СТ СЭВ 471-77). Металлы. Методы испытаний на растяжение. М., 1985.- С. 3-39.

14. ГОСТ 17367 71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы. - М., 1972.- 5 С.

15. ГОСТ 25.502-79. Расчёты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Взамен ГОСТ 23026-78; Введ. с 01.01.1981.-М., 1980. 32 С.

16. ГОСТ 25.504-82. Расчёты и испытания на прочность. Методы расчёта характеристик сопротивления усталости.- М., 1982. -80 С.

17. ГОСТ 380-94. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. Введ. с 01.01.1997 // Сталь углеродистая обыкновенного качества и низколегированная.- М.: Изд-во стандартов, 1997. - С. 30-34.

18. ГОСТ 5632 72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные марки. - М., 1972,- 59 С.

19. ГОСТ 6032-89 (ИСО 3651-1-76, ИСО 3651-2-76). Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии. Взамен ГОСТ 6032-84.- М.,1990. -30 С.

20. ГОСТ 9012-59. Металлы. Методы испытаний. Измерение твёрдости по Бринеллю. -М., 1970. -С. 77-86.

21. ГОСТ 9454-78 (Ст СЭВ 472-77, Ст СЭВ 473-77). Металлы. Метод определения ударной вязкости при пониженной, комнатной и повышенной температурах. М.: Изд-во стандартов, 1979. -С. 126-135.

22. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1986. -541 С.

23. Долговечность трущихся деталей машин: Сб. статей. Вып. 5 / Под общ. ред. Д.Н. Гаркунова.- М.: Машиностроение, 1990. 368 С.25.