Improvement of fatigue resistance of parts using technological methods

Abstract

The article analyzes the influence of technological conditions of the pendulum and depth grinding on parameters of resistance to fatigue. There was proposed an effective method of details treatment ensuring the required level of fatigue limit.

Full Text

В современном машиностроении всю большую роль играет обеспечение требуемого качества выполнения деталей. Для разных отраслей промышленности доминирующими показателями качества детали могут пониматься различные ее эксплуатационные характеристики. Так, для пищевой и химической промышленности основной показатель качества - химическая и коррозионная стойкость, для металлургии - высокая прочность и теплостойкость и т.д. Часто требуется некая совокупность показателей качества. Например, для автомобильной промышленности наряду с высокими требованиями по себестоимости детали доминирующими являются сопротивление усталости, теплостойкость, масло- и бензостойкость, жесткость, прочность, герметичность и т.д. Однако существуют отрасли промышленности, где перед деталью ставятся высочайшие требования по качеству, которые сильно усложняют технологический процесс изготовления и повышают стоимость детали. Такими отраслями являются атомная энергетика, авиация и космонавтика. Механическая обработка (точение, фрезерование, шлифование, полирование и т.д.) вызывает пластическую деформацию, нагрев и структурные превращения в поверхностных слоях материала обрабатываемой детали и сопровождается появлением неравномерных по глубине остаточных деформаций и напряжений. В зависимости от того, какое явление преобладает (пластическая деформация, нагрев или структурные превращения), поверхностный слой может отличаться различными глубиной и степенью наклепа, величиной и знаком остаточных напряжений. Эти параметры, а также шероховатость поверхности, в основном характеризуют качество поверхностного слоя и оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Так как детали авиационной промышленности являются ответственными, для обеспечения работоспособности часто требуется высокая точность и низкая шероховатость, то одним из основных методов, завершающих технологический процесс изготовления детали, является шлифование. Помимо высокой точности и низкой шероховатости, шлифование отличается также высокой производительностью и низкой себестоимостью, хорошо масштабируется и автоматизируется. Одним из важнейших эксплуатационных свойств деталей является сопротивление усталости - способность деталей машин сопротивляться разрушению в течение определенного промежутка времени при действии на них знакопеременных нагрузок. Возрастающие требования к качеству выпускаемой продукции, особенно к ответственным деталям ГТД, ставят проблему обеспечения эксплуатационных свойств на основе нормирования параметров качества поверхностного слоя. В связи с этим перспективным представляется подход, при котором на стадии конструкторско-технологической подготовки производства осуществляется нормирование параметров поверхностного слоя, обеспечивающих заданное значение предела выносливости детали. Управляя процессом обработки, можно получить требуемые значения параметров шероховатости, глубины и степени наклепа, остаточных напряжений, необходимые для обеспечения прогнозируемого значения предела выносливости. Оптимальным в настоящее время является определение критерия поврежденности материала по изменению модуля упругости. При повреждении детали происходит изменение характеристик материала: микротвердости, модуля нормальной упругости и других величин. Процесс образования усталостной трещины связан с локальным обрывом межатомной связи, а, следовательно, и с изменением модуля упругости. Поэтому по характеру изменения модуля упругости Е можно судить о протекании процесса усталостного разрушения. Одна из основных характеристик сопротивления усталости, предел выносливости материала детали, может быть рассчитана для случая маятникового шлифования по разработанной автором зависимости: (1) где: С и К - коэффициенты, зависящие от вида материала и метода обработки, значения коэффициентов для различных видов обрабатываемых материалов приведены в таблице 1; s1ИСХ и ЕИСХ -предел выносливости и модуль упругости материала детали в исходном состоянии (до обработки);nД - скорость движения детали; l - длина зоны контакта шлифовального круга с деталью; aД - температуропроводность материала детали; (λсρ)к и (λсρ)Д - произведение коэффициента теплопроводности и удельной объемной теплоемкости материала абразивного круга и детали соответственно; t - припуск на обработку; В - ширина обрабатываемой детали. Таблица 1. Значения коэффициентов С и К для маятникового шлифования Рисунок 1. Зависимость предела выносливости образца от технологических условий маятникового шлифования для стали 20Х Рисунок 2. Зависимость предела выносливости образца от технологических условий маятникового шлифования для титанового сплава ВТ20: 1 - необработанный образец; 2 - расчет; 3 - эксперимент На рисунках 1 и 2 представлены зависимости между пределом выносливости обработанного образца и технологическими условиями обработки. Там же показано значение предела выносливости материала образца в отожженном состоянии, т.е. s-1ИСХ. Зависимость (1) позволяет определить предел выносливости с учетом от принятых режимов обработки, параметров круга, характеристик обрабатываемого материала, так как величины, входящие в формулу, могут быть рассчитаны без проведения экспериментов. С учетом зависимостей, описывающих влияние режимных условий обработки на параметры качества поверхностного слоя, получена формула для определения предела выносливости материала детали от параметров качества поверхностного слоя: (2) где: С - константа, зависящая от материала детали; Ra - шероховатость поверхности; smax - максимальные остаточные напряжения в поверхностном слое детали; hH - глубина наклепа в поверхностном слое детали. Обобщенные зависимости вида (2) для различных материалов при плоском маятником шлифовании приведены в таблице 2. Таблица 2 Зависимости вида (2) для плоского шлифования Обрабатываемые материалы Зависимость Жаропрочные никелевые сплавы Титановые сплавы Конструкционные стали Исследуя данные зависимости, можно сделать следующие выводы: 1. Плоское маятниковое шлифование Данный метод резко понижает предел выносливости детали, выполненной из любого материала. Причем уменьшение тем сильнее, чем ниже теплопроводность материала. Также предел выносливости сильно зависит от скорости движения детали: чем ниже скорость движения, тем больше падение предела выносливости. Данное явление объясняется изменением в поверхностном слое детали величины растягивающих остаточных напряжений. Чем медленнее движется деталь относительно шлифовального круга, рассматриваемого здесь в качестве теплового источника известной мощности, тем более высокой оказывается температура поверхности. Это вызывает сильные пластические деформации поверхностных слоев металла, которые при остывании детали, образуют значительные по величине и глубине залегания, растягивающие остаточные напряжения. Следовательно, чтобы обеспечить приемлемый уровень предела выносливости деталей при обработке данным методом, требуется максимально интенсифицировать его процесс, задавая на станке максимально возможные режимы перемещения рабочего стола. Однако данная рекомендация не всегда осуществима, т.к. с увеличением скорости подачи стола резко растут силы резания. Это приводит, в свою очередь, к изменению конструкции применяемой оснастки и увеличению потребной мощности приводов. 2. Глубинное шлифование Обработка деталей по данному методу всегда сопровождается повышением предела выносливости деталей. Причем чем больше силы резания, оказываемые на деталь инструментом (меньше скорость вращения шлифовального круга), тем больше предел выносливости получаемой детали. Это обуславливается тем, что благодаря интенсивному охлаждению температуры в зоне резания относительно невелики, а силы резания значительны. Таким образом, преобладающим фактором при данном методе обработки является силовой. Именно данный фактор обуславливает формирование в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости детали. Можно рассматривать шлифовальный круг как тепловой источник с определенной мощностью, определяющим фактором которой будет являться скорость его вращения. Следовательно, при уменьшении частоты вращения шпинделя станка, мощность тепловыделения в зоне резания будет так же уменьшаться. Это приводит к дальнейшему повышению роли силового фактора в зоне резания и в итоге, росту предела выносливости детали. Таким образом, среди методов абразивной обработки, с точки зрения обеспечения максимального предела выносливости, можно выделить глубинное шлифование. При любых режимах обработки данный метод обеспечивает повышение сопротивления усталости детали относительно заготовки. Причем чем выше силы резания в зоне обработки (ниже скорость вращения круга), тем повышение предела выносливости больше. Полученные сведения по назначению условий механической обработки, исходя из требуемых значений пределов выносливости, могут быть непосредственно использованы в цеховых производственных условиях для обеспечения высоких эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей.