Forecasting the durability of hollow shafts and axles of agricultural machinery products

Full Text

Введение Одной из основных задач, которые стоят в настоящее время перед машиностроителями, является улучшение технических показателей: снижение веса машин и механизмов при повышении их долговечности и надежности. Проведенные эксперименты и расчеты [1] показывают, что применение полых осей, валов и других полых изделий дает большой технико-экономический эффект, уменьшает расход металла, облегчает вес оборудования и обеспечивает его высокие эксплуатационные качества. Становится очевидной целесообразность значительно более широкого, чем в настоящее время, применения полых осей, валов и других полых деталей в сельхозмашиностроении, если учесть весьма важное свойство указанных полых деталей, заключающееся в том, что они менее чувствительны к концентрации напряжений при циклических нагрузках, в особенности при упрочнении термомеханической обработкой [2]. Особое значение имеет при рассмотрении вопросов упрочнения методом термомеханической обработки (ТМО) прогнозирование долговечности деталей по величине и уровню показателей их качества, создаваемых в процессе их изготовления (прочности, пластичности, шероховатости поверхности, наличии металлургических дефектов поверхности, способа ее упрочнения и т.п.). Применяемые методы исследования Из сказанного выше следует, что рассматривая методы повышения усталостной прочности, износостойкости и долговечности полых осей и валов, полезно осветить с достаточной полнотой рациональную технологию упрочнения полых деталей методами ТМО металла и применение методов прогнозирования долговечности деталей при наработке определенного (требуемого конструктором) количества циклов нагружения [3]. Все детали после любого метода формообразования имеют на своих поверхностях шероховатость, волнистость и микронеровности, что приводит к дискретному характеру соприкосновения. В результате фактическая площадь, через которую передается давление от одной поверхности к другой, составляет малую часть номинальной площади касания, ограниченной внешними размерами соприкасающихся тел и являющихся основой для проектноконструкторских разработок [4]. Это приводит к наибольшим контактным деформациям со всеми вытекающими последствиями. Следовательно, на контактную жесткость и другие эксплуатационные показатели контактирующих деталей прежде всего влияют геометрические характеристики качества поверхности, а они, в свою очередь, зависят от условий выполнения технологических операций. Технологическое обеспечение шероховатости поверхности часто базируется лишь на экспериментальных зависимостях между методами окончательной обработки и шероховатостью поверхности [5]. Достигаемая при том или ином методе обработки шероховатость поверхности прежде всего характеризуется значениями высотных параметров R Rz или Rmax. Однако, как показали экспериментальные исследования и теоретические решения контактных задач с учетом состояния реальных поверхностей, этих характеристик недостаточно, так как поверхности с одинаковой высотой неровностей, но полученные различными технологическими методами, могут иметь различные эксплуатационные свойства [6, 7]. В этом случае, кроме высотных параметров шероховатости, ГОСТом 2789-73 предусмотрены шаговые параметры шероховатости (Sm и S), а также параметр, связанный с формой микронеровностей, t, а они, в свою очередь, зависят от качества инструмента, его формы и других технологических параметров процесса формирования поверхности заготовки. Процесс контактирования поверхностей, имеющих не только шероховатость и волнистость, но и микронеровности, в значительной степени определяется формой и размерами последних. Для оценки этого влияния следует учитывать не только предельные значения отклонений от правильной геометрической формы, регламентируемые ГОСТ 632-80, но и располагать законом изменения отклонений по всей номинальной площади деталей. Это связано с тем, что при одинаковой степени отклонения от правильной геометрической формы, но при различной геометрической характеристике этих отклонений (выпуклая, вогнутая, отклонения в одной плоскости, в двух плоскостях, закономерность изменения зазора при соединении деталей с определенными взаимными расположениями и формой микронеровностей и т.д.) соединения будут иметь различные эксплуатационные свойства [6]. Так, при различной пространственной ориентации минимальной и максимальной толщины стенки трубы при асимметричном изгибе получаются различные величины долговечности (число циклов до разрушения при одинаковом напряжении цикла). На величину и форму макронеровностей и на точность обработки решающее влияние оказывают условия выполнения технологического процесса: упругие и температурные деформации технологической системы, размерный износ инструмента и другие условия протекания процессов, которые успешно исследуются и уже имеются значительные успехи в практическом применении результатов этих исследований [7]. В настоящее время задача технологического обеспечения качества поверхности решается при условии, что технологу в большинстве случаев предоставлена возможность выбора технологического процесса и метода обработки, обеспечивающих лишь заданные конструктором значения шероховатости и точности. Только в отдельных случаях конструктор указывает кроме высотного параметра шероховатости дополнительные требования, например метод окончательной обработки поверхности. Характерно, что при этом практически не учитывается изменение большинства геометрических характеристик рабочих поверхностей, и в результате такой выбор методов обработки далеко не всегда дает положительные результаты [4]. Основные результаты исследований Одним из методов улучшения показателей качества изделий машиностроения является применение в технологическом процессе высокотемпературной термомеханической обработки, которая включает непрерывно-последовательный нагрев, деформацию и охлаждение заготовок [2, 3, 5]. На рис. 1 показано распределение долговечности полых пальцев траков гусеничных машин, изготовленных с применением ТМО различными методами, но с одинаковой шероховатостью наружной и внутренней поверхности (Rz < 10 мкм) в координатах: логарифм долговечности lgN - вероятность Р. На рис. 2 представлена долговечность в зависимости от схемы обработки, определяющей параметры качества поверхностей детали как функцию технологических факторов AS, Н, X. Разброс долговечности для каждой марки стали связан не только с различием методов упрочнения, но и с различием получаемых характеристик качества трубных заготовок. Поэтому показанные на рис. 2 результаты испытаний, включающие наряду с высотой микронеровностей Rmax параметры разностен-ности (точности) AS и степени деформации X при термомеханической обработке и деформацией винтовым обжатием (ТМО ВО) (косвенно характеризует прочность материала детали), дают более полную и точную картину взаимосвязи технологических факторов с эксплуатационными свойствами. При обработке данных эксперимента (рис. 2 и табл. 1) по методике построения аппроксимационных математических моделей определена следующая зависимость: N = A + A1EXP (-(AS2 + H2 + (Х- 30)2) / 300), где A0 =-285,72 и A1 = 2290,34 - расчетные коэффициенты; AS - разностенность в сечении полого пальца в точке приложения максимального изгибающего момента; Н - шероховатость внутренней поверхности в месте зарождения усталостной трещины; Х - логарифмическая степень деформации. Графическое изображение полученной модели показано на рис. 3. Для выяснения зависимости долговечности от перечисленных факторов был проведен специальный эксперимент по ранее описанной в литературе методике [6]. Результаты эксперимента представлены в табл. 1. Полученная модель позволяет прогнозировать эксплуатационные свойства (долговечность) готовых деталей, изготовленных по определенной схеме обработки в зависимости от качественных характеристик поверхности заготовок и режимов упрочняющей (окончательной) обработки (ТМО), что позволяет, в свою очередь, определить оптимальный вариант их изготовления [8]. На основании проведенных исследований по определению взаимосвязи качества трубных заготовок и эксплуатационной долговечности изготовленных из них полых валов и осей появляется возможность определить наиболее эффективный вариант технологического маршрута их изготовления [9]. По результатам предварительных стендовых испытаний полых пальцев с различными видами подготовки внутренней поверхности (табл. 2) можно утверждать, что удаление дефектного слоя с поверхности отверстия положительно сказывается на долговечности детали. Вместе с тем, определенное значение имеют качество механической обработки (шероховатость Н) и способ деформации при ТМО (на короткой или длинной оправках). Так, в опытах 1, 3, 5 наблюдается снижение величины N от 1-го к 3-му опыту. Это связано с наличием у заготовок, изготовленных по варианту 3 следов от рассверливания, которые остаются и после деформации. При этом, деформация на короткой оправке позволяет несколько снизить высоту следа от режущего инструмента (см. опыт 3, 4). Средняя степень деформации X определялась с учетом разброса величины внутреннего диаметра заготовки пальца перед ТМО. Зачистка отверстия абразивом после ТМО вносит значительный вклад в повышение долговечности. В работе Нестеренко И.И. [10] показано влияние абразивной обработки на усталостную прочность материала, однако эффективность влияния абразивной обработки отверстия на долговечность полых деталей, работающих в условиях асимметричного знакопостоянного изгибного нагружения, еще недостаточно изучена. Так, дополнительная пескоструйная обработка труб размером 57413 мм в течение 3 мин (после расточки) позволила уменьшить глубину дефектов до 0,1 мм. Положительное влияние пескоструйной (гидроабразивной) обработки [11] объясняется, главным образом, значительным дополнительным упрочнением внутреннего слоя металла глубиной до 0,07 мм, что препятствует складкообразованию. Результаты проведенных исследований позволяют качественно оценить влияние рассмотренных факторов (Я, AS, X) на долговечность детали. На рис. 3 представлены графики зависимости N=ДЯ, AS, X) для каждого аргумента. Формула N = ДЯ, AS, X) позволяет производить расчеты необходимой точности поставляемых заготовок (по величине AS), шероховатости поверхности (выбор способа механической обработки) и оптимальной степени деформации (при X = 30 % получается наиболее благоприятное сочетание механических свойств материала детали) для обеспечения заданного уровня долговечности изделия. В свою очередь, степень деформации X в модели N = ДЯ, AS, X) определяется разбросом величины диаметра отверстия заготовки под ТМО ВО. Поэтому из зависимости N = f(X) можно получить допуск на размер d с заранее заданной величиной N (рис. 4.) Таким образом, решение модели N = Д(Я, AS, X) дает возможность получения данных (допуски на величины AS, d, Я) для разработки технических условий поставки толстостенных полых заготовок под ТМО ВО для обеспечения заданной долговечности изделий. Так, например, при рассмотрении частного случая определения допуска на разностенность задаются требуемой величиной N = 3 • 106 циклов. По оптимальной величине X = 30 % и шероховатости поверхности, получаемой после зачистки отверстия абразивом после ТМО и предварительного рассверливания (Я = 1,0 ч 1,8 мкм), путем подстановки фиксированных величин в формулу для N следует, что величина разностенности AS получаемых в металлургическом цикле трубных заготовок не должна превышать 1,4 мм. о Известно, что эксплуатационные показатели зависят не только от геометрических характеристик поверхностей, но и от физико-механических свойств металла. Существует много методов, позволяющих эффективно управлять указанными характеристиками: термическая обработка, ТМО, высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМ), поверхностное пластическое деформирование (ППД), электромеханическая обработка, наплавка и напыление покрытий и т.д. [7]. Таким образом, многие характеристики качества поверхности, влияющие на эксплуатационные свойства, зависят от технологического метода и условий изготовления деталей. Определив, что каждому технологическому методу обработки соответствуют достижимые количественные и качественные характеристики (высота неровностей, шаг, размеры закругления вершин, направление неровностей, степень и глубина наклепа и т.д.), становится возможным технологическое управление качеством и эксплуатационными свойствами деталей. Исходя, например, из заданной величины износостойкости или усталостной прочности, можно определить условия изготовления - метод, режимы и др. [8-9]. Для ряда технологических процессов установлены зависимости, связывающие условия обработки с качеством поверхности. Они обобщают экспериментальные и теоретические исследования и позволяют назначать режимы обработки, обеспечивающие с учетом технологической наследственности заданные параметры качества - высоту и форму неровностей, опорную площадь и т.д. Это позволяет контроль отдельных параметров качества поверхности заменить контролем условий обработки: степени деформации, подачи, скорости резания, жесткости технологической системы. Таким образом, усиливается контроль за режимами и параметрами технологического процесса, соблюдением технологической дисциплины [7]. Вместе с тем, оптимизация процессов обработки деталей с учетом изложенных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет повысить их эффективность. Учитывая, что при этом приходится иметь дело с многофакторными зависимостями, целесообразно автоматизировать их решение: для ряда технологических процессов разработаны алгоритмы и программы для вычислительной техники [8-9], успешно используемые как при автоматизации проектирования технологических процессов, так и при автоматизации самого производства. Заключение Разработана методика прогнозирования долговечности деталей типа полый цилиндр, работающих в условиях асимметричного знакопостоянного изгибного нагружения. В основу метода положено задание величины показателей качества деталей, которые и определяют впоследствии окончательную величину долговечности. Рассмотрены вопросы повышения долговечности при разработке технологий упрочнения ответственных деталей изделий сельскохозяйственного машиностроения.

About the authors

V. B Dement'ev

The Institute of Mechanics UB RAS

Email: oka592@rambler.ru
DSc in Engineering

A. D Zasypkin

The Institute of Mechanics UB RAS

Email: oka592@rambler.ru
PhD in Engineering

References