автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергоустановок типа БН-800, БН-1200

На правах рукописи

КОТОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АТОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ТИПА БН-800, БН-1200

05.02.08 - Технология машиностроения

11 MAP 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подольск - 2015

005560303

005560303

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольсю> (ОАО «ЗиО-Подольск»)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

АО «НПО «ЦНИИТМАШ»

Клауч Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты:

Хостнкоев Михаил Заурбекович, доктор технических наук, профессор кафедры "Стандартизации, сертификации и управления качеством производства нефтегазового оборудования" ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» ( РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина)

Кириллов Андрей Кириллович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (МГТУ «СТАНКИН»)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение «ЛУЧ» (ФГУП «НИИ НПО «Луч»).

Защита диссертации состоится «21» апреля 2015г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 в АО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, дом 4.

Ват отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО НПО «ЦНИИТМАШ» и на сайте цниитмаш.рф

Телефон для справок 8(495)675-85-05.

Автореферат разослан «26 » февраля 2015г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.042.02

кандидат технических наук, доцент

Клауч Дмитрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В конструкциях атомных энергоустановок (АЭУ) широко применяются крупные высоконагруженные резьбовые соединения, которые подвергаются высоким статическим и циклическим нагрузкам, радиационному облучению, воздействию высоких температур. Резьбовые соединения должны обеспечить прочность, герметичность и надежность разъемов корпусных деталей с крышками в течение заданного ресурса работы.

Недостаточный уровень технологии изготовления, сборки и контроля крупных высоконагруженных резьбовых соединений может привести к их преждевременному разрушению и крупномасштабным техногенным катастрофам, например, таких как разрушение резьбовых соединений на Саяно-Шушенской ГЭС.

В этой связи совершенствование технологии изготовления высоконагруженных резьбовых соединений АЭУ, обеспечивающей их высокую надежность, является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность темы диссертации подтверждается также её выполнением в рамках Государственной программы: «Энергетическая стратегия России до 2030г.» и Федеральной целевой программы «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года».

Цель и задачи исследований. Целью работы является совершенствование технологии изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений АЭУ с обеспечением повышения их качества и производительности обработки и сборки.

Поставленная цель может быть достигнута путем решения следующих

задач:

- повышение качества поверхностного слоя контактных резьбовых поверхностей на основе результатов исследования влияния методов и режимов обработки на его состояние (шероховатость поверхности, деформационное упрочнение и технологические остаточные напряжения);

- исследование и разработка методов сборки и разборки, а также средств, предотвращающих интенсивное адгезионное взаимодействие («схватывание») контактирующих поверхностей высоконагруженных резьбовых соединений, работающих при повышенных температурах;

изыскание новых высокопроизводительных инструментальных материалов, инструментов, смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС), конструкций инструментов для обработки деталей резьбовых соединений.

Научная новизна работы:

- разработаны новый способ, методика и расчетные зависимости для экспериментального определения осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы с использованием лазерных измерительных устройств;

- установлены закономерности влияния технологических факторов на эпюры распределения остаточных напряжений и деформационное упрочнение поверхностного слоя впадин резьбы, обработанной точением и упрочненной накатыванием;

- экспериментально установлено, что при изготовлении деталей резьбовых соединений для операций непрерывного получистового и чистового точения наиболее эффективно применение твердых сплавов типа ТК и ТТК с многослойными наноструктурированными покрытиями типа ТЮ+ТЮМ+ТМ;

- применение полусинтетических СОТС типа СЦМ-1, Боракул, Борамин повышает стойкость инструмента в 2 раза по сравнению с эмульсией ЭГГ и до 3-х раз снижает шероховатость поверхности;

- для снижения вероятности адгезионного схватывания и образования задиров при сборке-разборке в резьбовых соединениях, работающих при повышенных температурах, необходимо обеспечивать гарантированный осевой зазор.

У резьбовых соединений М64 - М80 он должен быть ~ 0,15 мм;

- применение при сборке-разборке резьбовых соединений, работающих при температурах 350 - 450°С, высокотемпературных смазок на основе дисульфида молибдена и меди, а также покрытий медью, латунью, карбонитрирование, химическое фосфатирование снижает адгезионное взаимодействие резьбовых поверхностей, коэффициент трения, существенно улучшает качество процесса сборки-разборки.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработана методика экспериментального определения осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы.

2. Получены данные о влиянии технологических факторов на качество поверхностного слоя резьбы (шероховатость, деформационное упрочнение, остаточные напряжения).

3. Разработаны рекомендации по технологическим процессам изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений, обеспечивающих повышение их качества и производительность. Они включают в себя:

- рекомендации по эффективным инструментальным материалам (твердым сплавам с многослойными наноструктурированными покрытиями);

- рекомендации по СОТС;

- рекомендации по режимам резания;

- рекомендации по высокотемпературным смазкам и покрытиям резьбы;

- рекомендации по обеспечению гарантированного осевого зазора и технологии сборки резьбового соединения.

Методика исследований. При проведении исследований использовано современное оборудование, приборы и режущий инструмент с наноструктурированными многослойными покрытиями.

Определение остаточных напряжений во впадинах крупных резьб проводилось по разработанной новой методике с использованием лазерных измерительных устройств.

Смазки и покрытия исследовались при температурах от 20 до 450°С на специальных моделях и специальном испытательном стенде.

Шероховатость поверхности измерялась на профилометре-профилографе ТЯ-200, а глубина и степень деформационного упрочнения определялись на косых шлифах с помощью прибора ПМТ-3.

Достоверность результатов подтверждается тем, что данная работа базируется на основных теоретических положениях технологии машиностроения, теории резания металлов, теории упругости.

Достоверность полученных данных обеспечена научно-обоснованной методикой, большим объемом экспериментальных данных, а также подтверждена промышленным применением результатов работы в условиях ОАО «ЗиО-Подольск» при изготовлении резьбовых соединений АЭУ БН-600, БН-800 и др.

Реализация результатов работы. На основании результатов исследований разработаны рекомендации и технологические процессы изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений, которые применяются на ОАО «ЗиО-Подольск» при производстве модулей испарителей и пароперегревателей атомной энергоустановки БН-800.

Апробация работы. Основные положения, результаты исследований и разработок докладывались и обсуждались на 11-ой Международной конференции «Наука в Центральной России», Москва, 2012г., ХХ-м Международном семинаре «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2013г., семинарах в рамках международных выставок «POWER-GEN India & Central Asia» (г. Мумбаи, 2013г.) и «CIENPI 2013» (г. Шанхай, 2013г.), Международном конгрессе «АТОМЭКСПО 2013» (г. Санкт-Петербург, 2013г.», Международной выставке «Атомэкспо-Беларусь» (г. Мин ск, 2014г.), Международном промышленном Форуме «АТОМЭКСПО 2014» (г. Москва, 2014г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, 3 из которых в журналах (изданиях), входящих в список рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 64 наименований и приложения. Работа изложена на 159 страницах, содержит 90 рисунков и 50 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, которая определяется тем, что от качества изготовления резьбовых соединений узлов атомных энергоустановок в значительной степени зависит надежность, безопасность и ресурс работы всей установки. Кратко изложены основные результаты исследований и разработок, результаты практического внедрения.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей и технологических процессов изготовления и сборки крупных резьбовых соединений атомных энергоустановок типа БН (БН-800, БН-1200), а также состояния вопроса по теме диссертации. На рисунке 1 приведена конструкция узла крепления крышки теплообменного аппарата к корпусу с помощью резьбового соединения М64.

Основными деталями этого узла являются удлиненная шпилька (рисунок 2) и специальная гайка. Шпилька имеет центральное отверстие, в котором

б

устанавливается измерительный стержень. Он крепится у торца шпильки сваркой или механическим способом. В процессе сборки изделия при завинчивании гайки шпилька удлиняется, а стержень свою длину не изменяет. Его торец используется в качестве базы для измерения удлинения шпильки, по которому определяют силу прижатия крышки к торцу корпуса. Типовыми представителями резьбовых соединений атомных энергоустановок могут служить соединения с резьбой М64х6, М68х6, М80х6. Особенностью конструкции этих соединений является большая длина свинчивания (до 2с1, где с) - диаметр резьбы), высокие требования к материалам деталей, точности и качеству поверхностного слоя.

то

Рисунок 1 - Конструкция узла крепления крышки к корпусу теплообменного

аппарата.

Анализ повреждений в резьбовых соединениях показывает, что при сборке и разборке имеет место адгезионное взаимодействие («схватывание») контактирующих поверхностей и образование задиров, а также срывы резьбы. В

7

значительной степени это может быть вызвано большими контактными напряжениями, возникающими из-за погрешностей формы контактирующих поверхностей (отклонение шага, накопленное отклонение по шагу, отклонение угла профиля и др.).

Погрешность формы резьбовых поверхностей, а также состояние поверхностного слоя (шероховатость, степень и глубина упрочнения, остаточные напряжения) существенно влияют на усталостную прочность и надежность резьбовых соединений.

В технической литературе имеется много публикаций, посвященных исследованиям и расчетам прочности, технологии обработки и инструментам для формирования и упрочнения наружных и внутренних резьб. Это работы И.А. Биргера, Г.Б. Иосилевича, И.В. Кудрявцева, В.М. Тимонина, Барышникова А.И., Казанцева А.Г., Ю. И. Газанчана, М.З. Кахадзе, В.И. Семина, Н.Д. Щербюка, В.А. Гречишникова, В.А. Косырева, Т.А. Султанова, М.З. Хостикоева, А.П. Черного, Э.Г. Прусенко и др.

Анализ опубликованных материалов и производственного опыта показывает, что применительно к условиям работы, материалам и конструктивным особенностям крупных резьбовых соединений АЭУ недостаточно данных о влиянии технологии изготовления на качество поверхностного слоя резьбы, в частности, на остаточные напряжения во впадинах. Отсутствуют обоснованные методы определения остаточных напряжений в поверхностном слое резьбы. Технологические процессы сборки-разборки высоконагруженных резьбовых соединений, обеспечивающие бездефектную сборку, недостаточно исследованы и научно обоснованы.

В главе 2 изложена методика проведения исследований.

Эксперименты по исследованию эффективности инструментальных материалов, износостойких покрытий и СОТС проводились в условиях непрерывного резания при точении и прерывистого резания при фрезеровании. Эксперименты при точении проводились на модернизированных токарных станках моделей 163 и 1К62 с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя, на токарном обрабатывающем центре САК 6313 ci, на токарно-фрезерном обрабатывающем центре MULTUS B300W фирмы «ОКУМА».

Опыты при фрезеровании проводились на модернизированном горизонтально-расточном станке модели 2А622Ф1 с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя.

Износ режущего инструмента измерялся с помощью микроскопа МПБ-2 с 24-х кратным увеличением и микроскопа МБС-9.

В качестве режущего инструмента применялись резцы с многогранными пластинами квадратной формы из твердых сплавов марок Т5К10, Т15К6, МС146, ТТ10К8Б, ТТ7К12 без покрытий и с многослойными покрытиями типа TiC, TiN, TiC+TiCN+TiN. Испытывались также пластины с покрытием треугольной формы фирмы TaeguTec, 27 ER 6.00 ISO.

В качестве обрабатываемых материалов использовались стали марок 45, 40X13, 38ХНЭМФА, 15X11МФ и др. За критерий затупления был принят износ по задней грани h3=0,5 мм. Результаты стойкостных испытаний представлялись в виде графиков зависимости стойкости от скорости резания при постоянных значениях глубины резания и подачи.

Измерение диаметров отверстий проводилось индикаторным нутромером и на инструментальном микроскопе БМИ-1 с точностью до 0,01 мм.

Шероховатость обработанной поверхности измерялась профилографом -профилометром TR200 «TimeGroupInc».

Определение остаточных напряжений проводилось на установке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» с лазерным измерителем перемещений и компьютерной обработкой результатов. Для этого была разработана специальная методика, образцы и методы расчета, подробно изложенные в главе 3.

Определение глубины и степени деформационного упрочнения (наклепа) проводилось путем измерения микротвердости на поверхности косых шлифов, а также шлифов по хорде на приборе ПМТ-З.

Упрочнение оценивалось толщиной упрочненного слоя hH и степенью упрочнения Un.

" HV0 HV0

где HVmax,HV0 - максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя, МПа;

UH - максимальная степень упрочнения, %.

По результатам измерения строились графики изменения микротвердости по глубине поверхностного слоя.

Исследования влияния смазок и покрытий на процесс сборки-разборки резьбового соединения проводились на образцах с резьбой МЗОхЗ, которые после затяжки на определенную силу подвергались нагреву до температур 350"С и

450"С. Образцы изготавливались из сталей 40Х, 20Х1М1Ф1ТР, 38ХНЭМФА, 25X1МФ. Испытания различных составов смазок и покрытий проводились на специальной модели на испытательном стенде, на котором измерялся крутящий момент и удлинение шпильки.

Для определения рационального состава были проведены испытания следующих высокотемпературных смазок: NATOL-JP-1, ВНИИНП-225, Резол, Anti-Seize Paste GAL, KLUBER WOLFRAKOTE TOP PASTE, Marly COPPER COMPOUND, Marly SP38 Graphite Compound, Paste HT, OPTIMOL PASTE PL, Графит+глицерин, Мел+глицерин.

В главе 3 изложена разработанная новая методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы, а также результаты исследования влияния технологических факторов на остаточные напряжения, деформационное упрочнение и шероховатость поверхности резьбы.

Для определения остаточных напряжений из деталей с крупной резьбой вырезались продольные (вдоль оси) и поперечные (кольцевые) образцы. Осевые <r¿(a) и тангенциальные сг;(а) остаточные напряжения в поверхностном слое впадин (дна) резьбы рассчитывались по формулам плоского напряженного состояния

= ¿Ь (а)+"- ** (а)1 ' <Гт(а) = ^К W + n- ст0 (а)],

где (г - коэффициент Пуассона; <т0 (а) , сгт (а) - остаточные напряжения в продольном и кольцевом образце соответственно с учетом вырезки и разрезки

ст0 (а) = ff¡¡(а) + ст0"(а); <гт (а) = о?(а) + стг"(а) + сттр(а),

(а) — остаточные напряжения в вырезанном продольном образце;

<т°(а) — остаточные напряжения в вырезанном и разрезанном кольцевом образце;

ад(а),а"(а) — изменение остаточных напряжений в продольном и кольцевом образце соответственно в результате вырезки;

<7г (а) — изменение остаточных напряжений в кольцевом образце в результате разрезки.

Продольные образцы резьбы М64х6 имели длину 1=60...80 мм и размеры поперечного сечения, приведенные на рисунке 3. После вырезки измерялся

прогиб в середине образца Г„ и вершины резьбы удалялись до общей толщины 2,5...3,2 мм.

Рисунок 3 - Размеры поперечного сечения продольного образца резьбы М64х6, 6=1,5...2,2 мм.

В результате вырезки исходные остаточные напряжения изменяются на величину

<(а) = «» + Е • £в

,где аЦ(а) - изменение остаточных напряжений в результате изгиба вырезанного образца; Е • ев - изменения остаточных напряжений в результате продольных деформаций ев вырезанного образца; Е - модуль упругости материала образца.

При механической обработке толщина измененного поверхностного слоя, который вызывает остаточные напряжения, небольшая по отношению к толщине образца < од) . Поэтому с погрешностью менее 5% можно считать £в = 0 и учитывать только напряжения ст^(а) , которые определяются по формуле

E-f0-(6-2a)

Ik'SZ?=1(2i-l)

где lk - ширина впадины резьбы (после удаления вершин); S - шаг резьбы; п - количество впадин на длине " I " образца, п = 1— ; Для определения напряжений а°(а) на конец образца, как его продолжение, или перпендикулярно его продольной оси устанавливался рычаг-увеличитель длиной L (рисунок 4).

Flo!

I

S

/

Р'1

Рисунок 4 - Схема измерения деформаций продольного образца в процессе травления впадин с использованием рычага-увеличителя.

Поверхностный слой впадин подвергался травлению, в процессе которого с помощью лазера измерялись перемещения F(a) конца рычага-увеличителя. Осевые остаточные напряжения (а) рассчитывались по формуле „, ч Е-(8-а)3 Г, ч с1Р(а) , г , /1 с1К 4у|")

где 1к = 10 + 2а;

К — коэффициент увеличения (за счет рычага и участков, которые не травятся).

При установке рычага-увеличителя вдоль оси образца

<1К _ (1КВ йа с1а

41

(=1

При установке рычага-увеличителя перпендикулярно оси образца

ак АКп _ 4г. йа п-1%

• Ча

Тангенциальные остаточные напряжения сгт (а) определялись на кольцевом образце наружным диаметром £>п , толщиной кольца Н и шириной В = 1,5 -5 (рисунок 5).

Рисунок 5 — Схема поперечного сечения кольцевого образца с радиусной канавкой.

После вырезки кольцо разрезалось, часть его в пределах угла <ру удалялась, устанавливался рычаг-увеличитель и поверхностный слой канавки подвергался травлению с измерением перемещений Р(а) конца рычага-увеличителя (рисунок 6).

Такая схема измерения деформаций образца по сравнению с измерением диаметра дает увеличение, которое определяется следующим коэффициентом

F(a) / L \ , ч F (а)

КУ=Щг) = {ъ7р + °'5) 4,0 + °'5 •SÍn ^ ИЛИ AD(a) = ~КГ'

где <р0 = 2 • к - фу ; D„p = D0 ± AD„ ± ADp.

Исходные остаточные напряжения в поверхностном слое радиусной канавки рассчитывались алгебраическим суммированием <rz(p) = а°{р,(р) + <тгр(р,<р) - oí ,

где а°(р,<р) - остаточные напряжения в вырезанном и разрезанном образце; о-т(.Р.Ч>) - изменения остаточных напряжений в кольцевом образце в результате разрезки; о* - изменения остаточных напряжений в кольцевом образце в результате вырезки.

<гтр(р, <р) = 2Е • (Do^pDb)2 • (Хсо - р • costp) = А -(Хсо-р ■ cos Ф), а? = Е ■ ^ ,

до„ = D0 — D'0, где D0, D'0 - диаметр окружности, проходящей через центр тяжести поперечного сечения кольцевого образца до и после вырезки соответственно;

Хсо - координата центра тяжести поперечного сечения образца с канавкой радиусом г0 до удаления слоя «а».

_ ЗВН2—4-г03

Лсо = , --г , пи„ - изменение среднего диаметра

3^2ВН —ТТТр ) у

кольцевого образца в результате его разрезки; р,<р- текущий радиус и угол в полярной системе координат. После вырезки, разрезки и удаления с поверхности радиусной канавки слоя «а» средний диаметр кольцевого образца будет равен

0(а) = 0н±И0в±Д0р-2Хс, где Хс - координата центра тяжести поперечного сечения кольцевого образца с внешней канавкой радиусом (г0 + а).

ЗВН2 - 4(г0 + а)3 Хс-3[2ВН — тт ■ (г0 + а)2] Для расчета тангенциальных остаточных напряжений <гт (а) в поверхностном слое наружной радиусной канавки получена формула, которую запишем в следующем виде

0т (а) = ;-гг^Т-;-гг(1 + II + Ш + IV),

где

I =

II = (А ■ Хс0 - «х») • {I • ^ • [(Г0 + а)2 - г02 ] + (г0 + а) • • Хс - (г0 + а)]};

III = з ' {^Г' + Ю3 - го3 ] + 3 • (г0 + а)2 • [хс - =■ (г0 + а)]);

1У= Г^'-С^ + = .£[1,(1 + И - 111)-(1 + г,)-Д2,.

где )(а) = ™ [у + (2ХС - Н)2] - (5 - ±) (г0 + а/ -1 (г0 + а)2 ■ •[хс-^(го + а)]2;

(¡¡(а) с!Хс Я 32\ , г 4 1

— = в-Н-—•(2Хс-Н)-^--).(г0 + а)3-1х.(г„ + а).[хс--.(г0 + а)].

Г , . с!Хс 81 (1ХС 2 (г0 + а)

(ъ [ЗВН2-4 (г„ + а)3] 1 Ч 2ВН — тс (г0 + а)2--6(Го + а)]

с!а 3 • [2 • В Н - п ■ (г0 + а)2] Изложенная методика была использована для определения влияния на остаточные напряжения скорости резания и глубины последнего прохода при

нарезании резьбы М64х6 на токарном станке. Образцы изготавливались из стали 40Х. Обработка проводилась на скоростях резания \/=20, 60, 100 и 140 м/мин и глубинах резания 1=0,1 и 0,3 мм. Эпюры распределения осевых и тангенциальных остаточных напряжений приведены на рисунках 7,8.

Анализ этих эпюр показывает, что в поверхностном слое превалируют осевые остаточные напряжения сжатия, распространяющиеся на глубину до 0,3 мм. В тонком поверхностном слое (до 0,02 мм) могут формироваться остаточные напряжения растяжения величиной до 400 МПа. Увеличение глубины резания при последнем проходе до 0,3 мм привело к уменьшению максимальных остаточных напряжений сжатия до 220 МПа (при V = 140 м/мин) и формированию в тонком поверхностном слое напряжений растяжения величиной до 400 МПа.

Эпюры распределения тангенциальных остаточных напряжений имеют в слое глубиной до 0,08 мм напряжения растяжения до 200...220 МПа, которые на большей глубине переходят в напряжения сжатия величиной 120...220 МПа. С увеличением скорости резания тангенциальные остаточные напряжения сжатия уменьшаются, что можно объяснить повышением температуры в зоне формирования стружки и поверхностного слоя.

Установлено существенное влияние скорости резания на шероховатость резьбовых поверхностей (рисунки 9,10). С её увеличением от 20 до 140 м/мин параметр шероховатости Яа уменьшается с 2 до 0,6 мкм.

а

о

1 д\

а. тХщ,^, А 3 0.3

д

I

I

о

Глубина слоя а, мы

V = 20 м/мин

Глубина слоя а, ым

V = 60 м/мин

Глубина слоя а, мм

Глуонна слоя а. мм

V = 100 м/мин V = 140 м/мин

Рисунок 7 - Осевые остаточные напряжения о"о(а) в поверхностном слое

впадин резьбы (1 -1 = 0,1 мм; 2 - = 0,3 мм) при различных скоростях резания и

глубине.

Глубина слоя а, мм Глубина слоя а, мы

Рисунок 8 - Тангенциальные остаточные напряжения а'т (а)

в поверхностном слое впадин резьбы: а - V = 20 м/мин; б - V = 100 м/мин; 1 -I = 0,1 мм; 2 - 1 = 0,3 мм.

Рисунок 9 - Влияние скорости резания на поперечную шероховатость боковой поверхности резьбы М64х6 (1=0,1 мм; СОТС - СЦМ-1).

ЯаМ

? 12

* 10

6 0.8 о ь

2 0.6 о

о 0,4

а.

О)

Э 0,2 0 .

и

\

80 100 120 140 160 Скорость резания, м/мин V

1=0,1 мм

О 100 120 140 160 Скорость резания, м/мин V

Рисунок 10 впадин резьбы.

1=0,3 мм

Влияние скорости резания на продольную шероховатость

Деформационное упрочнение поверхностного слоя при изменении скорости резания от 20 до 140 м/мин и глубины резания от 0,1 до 0,3 мм составляет 25 - 30% во всем диапазоне режимов обработки с максимумом на глубине 0,02 - 0,04 мм.

С увеличением усилия накатывания Ру увеличивается глубина, на которой происходит пластическая деформации поверхностного слоя (0,02 -0,03 мм при Ру = 1000 - 2000 Н и 0,05 - 0,06 мм при Ру = 3000 - 4000 Н). При накатывании впадины резьбовой поверхности в два прохода с усилием 4000 Н микротвердость поверхностного слоя увеличилась с Н\/ 3200 до Н\/ 3750 МПа (рисунок 11).

Глубина поверхностного слоя, мм

Рисунок 11 - Микротвердость поверхностного слоя впадины резьбы после обкатки в два прохода с силой 4000 Н.

В четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований, целью которых был выбор рациональных инструментальных материалов, а также смазывающих и охлаждающих технологических сред.

Рациональные инструментальные материалы применительно к операциям непрерывного резания определялись по результатам исследования различных твердых сплавов групп ТК, ТТК и сплавов с однослойными и многослойными покрытиями.

На рисунке 12 приведены результаты стойкостных испытаний твердых сплавов, в том числе с покрытиями. Установлено, что наиболее рациональными для получистового и чистового точения являются твердые сплавы типа ТТ7К12, ТТ10К8Б с комбинированными многослойными покрытиями, которые позволяют повысить скорость резания в 2 раза по

18

сравнению со сплавом Т15К6.

На рисунке 13 приведены результаты экспериментов, из которых видно, что сплав ТТ10К8Б имеет стойкость в 1,6 раза большую, чем сплав Т15К6, а сплав ТТ10К8Б с покрытием ТЮ+ТЮЫ+'Ш - в 2,4 раза больше.

ь

о о 6

100 120 160 250 ЗОО 350 400 V Скорость резания, м/мин

1 - o-TT7K9 + TiC-TICN-TiN

2- «-TT10K86+TiC

3-о -TT7K12+TiC

4- т -Т15Кб

5- Ч—Т5К1 О

6~ х -1 Г7К1 2-t-TlG-TiC N-TIN

7- о-пластины с покрытием 27ER6.00 ESO фирмы "Taegu Тес

200 300 400 500 V

Скорость резания, м/мин «- Т15К6 о- ТТ10К8Б

• - ТТ10К8Б с покрытием Т|С+ТЮМ + Г1Ы

Рисунок 12 - Влияние скорости Рисунок 13 - Влияние

резания на стойкость твердосплавных скорости резания на стойкость резцов при точении стали 38ХНЭМФА твердых сплавов Т15К6, ТТ10К8Б и НВ 2000 МПа (1=1,5 мм, Э=0,8 мм/об). ТТ10К8Б с покрытием ПС+ТЮЫ+ТМ

при фрезеровании (Зг=0.1 мм/зуб; 1=1 мм).

Эксперименты по прерывистому резанию проводились при торцовом фрезеровании сталей 45, 40X13, 15Х11МФ с плавным и резким выходом.

При фрезеровании наблюдается различное влияние входа и выхода инструмента на его стойкость. На стали 45 различий в изнашивании не обнаружено. Фрезерование нержавеющих и высоколегированных сталей с резким выходом сопровождается увеличением износа по сравнению с износом при плавном выходе.

С целью выбора рациональных СОТС исследовалось их влияние на стойкость твердосплавного инструмента и шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что применение полусинтетических СОТС обеспечивает повышение стойкости твердосплавного инструмента в 2 раза по сравнению с эмульсией ЭГТ.

Применение СОТС при обработке деталей резьбовых соединений в зоне относительно низких скоростей резания позволяет существенно (до 3-х раз) снизить шероховатость обработанной поверхности.

В пятой главе приведены результаты исследования технологии сборки высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергетических установок на примере теплообменных аппаратов БН-600 (резьбовые соединения М64х6 и М80х6).

Влияние величины зазора в резьбовом соединении на качество сборки было исследовано на операции сборки-разборки верхней и нижней камеры пароперегревателя. Схема закрепления крышки теплообменника к корпусу с помощью шпилек и гаек показана на рисунке 14.

Рисунок 14 - Схема узла закрепления крышки теплообменника к корпусу.

Сборка резьбовых соединений проводилась с обеспечением заданной силы затяжки с контролем удлинения шпильки. Затем изделия подвергались испытаниям на герметичность и термовакуумным испытаниям при температуре 450°С. После цикла испытаний проводилась разборка резьбовых соединений и их контроль на наличие и количество дефектов типа адгезионного «схватывания». На рисунке 15 приведена зависимость дефектности резьбовых пар от величины осевого зазора после термовакуумных испытаний, из которой видно, что при принятой технологии обработки и сборки требуемое качество резьбовых соединений обеспечивается при осевом зазоре не менее 0,15 мм.

Рисунок 15 - Зависимость дефектности резьбовых пар при сборке-разборке

------1------------резьбовых соединений М68-

"__,_ ^__

5 " ч М80 камер теплообменного

§

аппарата после

о,и о,»« о,о8 о.1 о.12 о.ы о,1в о,18 о.2 термовакуумных испытаний

Зазор в резьбовом соединении, мм

от величины осевого зазора.

Исследования влияние смазок и покрытий на качество резьбовых соединений проводились на специальных моделях с резьбовым соединением М39. На рисунке 16 приведены результаты сравнительных испытаний смазок при сборке и разборке резьбовых соединений при 20°С и при нагреве до 350'С с выдержкой 24 часа. На рисунке 17 приведены обобщенные результаты испытаний высокотемпературных смазок при температуре 45СГС.

Смазки

Затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,45 мм Отвинчивание резьбового соединения, затянутого до удлинения шпильки 0,45 мм Затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,3 мм Отвинчивание резьбового соединения, после нагрева 350°С

Рисунок 16 - Обобщённые результаты испытаний смазок, 1=350'С (результат сгруппирован по маркам смазок)

¿>б<ю

ж

^•»лп

Смазки

Затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,45 мм Отвинчивание резьбового соединения, затянутого до удлинения шпильки 0,45 мм Затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,3 мм Отвинчивание резьбового соединения, после нагрева 450°С

Рисунок 17 - Обобщённые результаты испытаний смазок, t=450°C (результат сгруппирован по маркам смазок).

i !

Аналогичные испытания проведены с 10 видами покрытий (медь, латунь, цинк, никель, карбонитрирование и др.).

Исследования эффективности смазок и покрытий при сборке-разборке резьбовых соединений, работающих при температурах 20, 350 и 450°С, показали следующее:

- влияние смазок и покрытий на величину крутящего момента и предотвращение «схватывания» контактирующих поверхностей в сильной степени проявляется при всех исследованных температурах; различие в величине крутящего момента может достигать 2 раз и более;

- при сборке резьбовых соединений, работающих при температуре 20°С, лучшие результаты показали смазки, имеющие в своем составе дисульфид молибдена и графит; при нагреве до температуры 350 и 450°С и выдержке 24 часа лучшими оказались смазки с дисульфидом молибдена типа OPTIMOL PASTE PL и ВНИИНП-225;

- смазка «Графит+глицерин», обеспечивающая хорошие результаты при температуре 20*С, после нагрева до 350 и 450'С и выдержке показала почти 2-х кратное увеличение крутящего момента при разборке в результате затвердевания в зазорах резьбового соединения;

- применение покрытий может приводить как к улучшению (медь, латунь, серебро, химическое фосфатирование, карбонитрирование), так и к ухудшению (никелирование) качества сборки;

- покрытия, полученные газодинамическим методом, показали результаты практически такие же, как и гальванические покрытия.

Для обеспечения бездефектной сборки-разборки резьбовых соединений были разработаны и испытаны новая технология сборки и средства механизации (специальный гайковерт). Затяжка резьбовых соединений М64 - М80 осуществлялась путем предварительного растяжения (вытяжки) шпильки, навинчивания гайки и последующего снятия растягивающей силы. Сила закрепления (затяжки) контролировалась индикатором по удлинению контрольного стержня, установленного в центре резьбовой шпильки.

Результаты исследования и анализа технологии сборки-разборки высоконагруженных резьбовых соединений, их конструктивных особенностей и точности показали необходимость корректировки допусков на размеры наружных и внутренних резьбовых поверхностей, обеспечивающих гарантированный зазор по среднему диаметру (для резьб М64, М80 - не менее 0,15 мм).

Помимо контроля резьб резьбовыми калибрами необходима аттестация металлорежущего оборудования с оценкой обработанной резьбы по погрешности шага.

В шестой главе приведены рекомендации по технологии изготовления высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергоустановок и сведения об использовании результатов работы.

На основании результатов комплексного исследования разработан технологический процесс изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений установок БН-600, БН-800 и БН-1200, обеспечивающий высокую производительность и качество. На ОАО «ЗиО-Подольск» создан специализированный производственный участок по изготовлению шпилек и гаек для модулей испарителя и пароперегревателя. Внедрение новой технологии и организация участка по изготовлению шпилек позволило повысить точность и качество изготовления резьбовых соединений, сократить время цикла обработки с 50 до 7 дней, сократить количество рабочих с 23 до 13 человек, уменьшить протяженность маршрутов транспортирования и межоперационные запасы.

Экономический эффект от внедрения результатов работы при изготовлении партии резьбовых соединений модулей парогенераторов составил 13 429 022 руб.

Основные результаты и выводы

1. В результате выполнения комплекса теоретических, экспериментальных исследований и разработки рекомендаций по технологии изготовления решена научно-техническая проблема повышения качества и производительности изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергетических установок.

2. Разработан новый способ, методика и расчетные зависимости для экспериментального определения осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы. Экспериментально установлено, что при обработке резьбы точением со скоростью резания 20-140 м/мин и глубиной резания 0,1 - 0,3 мм в поверхностном слое 0,05-0,30 мм формируются осевые остаточные напряжения сжатия. В тонком поверхностном слое (до 0,02 мм) могут формироваться остаточные напряжения растяжения величиной до 350 МПа. При указанных режимах резания в слое до 0,08 мм формируются тангенциальные остаточные напряжения растяжения величиной 200 - 220 МПа, переходящие на большей глубине в напряжения сжатия небольшой величины.

3. Установлено существенное влияние скорости резания на шероховатость резьбовых поверхностей. С её увеличением от 20 до 140 м/мин шероховатость уменьшается с Яа 2 до Яа 0,6 мкм.

4. Степень деформационного упрочнения поверхностного слоя составляет 25 - 30% во всем диапазоне исследованных режимов резания (\/=20 - 140 м/мин, 1=0,1 -0,3 мм).

5. Эффективным методом повышения качества поверхностного слоя резьбы является упрочняющее накатывание роликом. С увеличением силы накатывания от 1000Н до 4000Н глубина упрочненного поверхностного слоя увеличивается с 0,02...0,03 до 0,05...0,06 мм.

6. Экспериментально установлено, что при обработке сталей, применяемых для высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергоустановок, наиболее эффективными являются твердые сплавы группы ТК и ТТК с многослойными наноструктурированными покрытиями типа "ПС+"ПСМ+"ПМ, позволяющие повысить скорость резания до 2,5 раз по сравнению со сплавом Т15К6.

7. При прерывистом резании высоколегированных сталей существенное влияние на стойкость инструмента оказывают условия входа в металл и выхода режущих элементов инструмента из металла. Плавный вход и особенно выход уменьшает его износ до 5 раз.

8. Применение полусинтетических СОТС типа СЦМ-1, Боракул, Борамин повышает стойкость твердосплавного инструмента до 2 раз по сравнению с эмульсией ЭГГ и позволяет до 3-х раз снизить шероховатость обработанной поверхности при обработке деталей резьбовых соединений.

9. Обеспечение гарантированного осевого зазора в резьбовых соединениях (для М64 - М80 величиной 0,15 мм) существенно снижает вероятность адгезионного схватывания и образования задиров при сборке-разборке высоконагруженных соединений, работающих при температуре 350 -450°С.

10. Применение высокотемпературных смазок на основе дисульфида молибдена и меди типа ВНИИНП-225, NATOL JP-1, OPTIMOL PASTE PL уменьшает коэффициент трения, адгезионное сцепление контактирующих поверхностей и величину крутящего момента на 30 - 40%.

11. Покрытия медью, латунью, карбонитрирование, химическое фосфатирование резьбовых поверхностей существенно улучшает качество процессов сборки-разборки.

12. На основании результатов исследований разработаны рекомендации и технологический процесс изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергоустановок, которые используются в ОАО «ЗиО-Подольск» при производстве модулей испарителей и пароперегревателей реакторной установки БН-800. Экономический эффект от внедрения результатов работы в ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» составил 13 429 022 руб.

Основные публикации по теме диссертации В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Котов И.В. Экспериментальное определение осевых остаточных напряжений в поверхностном слое впадин крупных резьб / А.Н. Овсеенко, Д.Н. Клауч, Д.П. Носов, A.A. Кудинов, Г.А. Болотин, И.В. Котов // Научный рецензируемый журнал «Известия «МГТУ МАМИ». - 2014. - №1 (19) т. 2. -С. 92-96.

2. Котов И.В. Уникальные технологии изготовления теплообменного оборудования ответственного назначения // Тяжелое машиностроение. -2014,-№2-3.-0.49-51.

3. Патент РФ N22514359. Способ чистовой обработки глубоких отверстий. Терехов В.М., Могутов И.В., Котов И.В. - Заявка №202154590 от 18.02.2012г. Опубл. 27.04.2014г., Бюл. №12.

В других изданиях

1. Котов И.В. Влияние на прочность резьбовых соединений геометрических размеров метрических резьб / Д.Н. Клауч, A.A. Пономарев, Г.Е. Новиков, А.Г. Казанцев, И.В. Котов // Мир измерений. - 2014. - №1 (155). - С.16-19.

2. Котов И.В. Влияние отклонений формы на прочность метрических резьбовых соединений / И.С. Антонов, Д.Н. Клауч, Г.Г. Овумян, И.В. Котов и др. // научно-производственный журнал «Наука в Центральной России. -2013. - Спецвыпуск. - С.52-58.

Зак. № /2/ Тир. 100 экз. Подписано к печати 20.02.2015

Типография ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО - Подольск»