Аналіз питання підвищення ефективності поверхневого пластичного деформування обкачуванням роликами деталей з високоміцних сталей 30ХГСН2А та 45ХНМФА шляхом наведення у поверхневому шарі деталей необхідного рівня залишкових стискувальних макронапружень.
Аннотация к работе
Метою роботи є встановлення головних закономірностей формування залишкового напруженого стану у деталях із високоміцних сталей при деформуванні обкачуванням роликами; розробка способів управління залишковими макронапруженнями та видача рекомендацій по оптимізації режимів та технології обкачування роликами, що забезпечують максимальну ефективність ППД у підвищенні втомної міцності. Для досягнення мети, вказаної в роботі, були поставлені такі задачі: - вивчити структурні особливості поверхневого шару високоміцних сталей після обємної термічної зміцнюючої обробки та наступного зміцнення ППД обкачуванням роликами; Встановлені основні закономірності формування залишкового напруженого стану при деформуванні обкачуванням роликами і показано, що критерієм якості поверхні деталей з високоміцних сталей після ППД є рівень залишкових напружень. На підставі отриманих експериментальних даних зявилася можливість подальшого удосконалення технології поверхневого пластичного деформування обкачуванням роликами важконавантажених виробів із високоміцних сталей для забезпечення максимальної ефективності процесу. Розроблено спосіб зміцнення пресових зєднань типу вал-втулка із високоміцної сталі, який включає обкачування поверхні вала роликами в декілька проходів, що забезпечує необхідний рівень залишкових напружень у поверхневому шарі і, як наслідок, підвищення втомної міцності (Пат.45234А UA, С21 Д7/04/15.03.2002. Бюл.№3).В роботі експериментально показано, що залишковий напружено-деформований стан, наведений ППД, є визначальним фактором у підвищенні втомної міцності високоміцних сталей. За результатами вимірів залишкових напружень з достатнім ступенем точності можна прогнозувати границю витривалості. Цей процес може супроводжуватися виникненням знеміцнених (з точки зору рівня стискувальних залишкових напружень) локальних зон, які знижують ефективність ППД та визначають втомну міцність. Виявлені принципово нові закономірності для випадку обкачування роликами у два і більше проходів, які вказують на можливість регулювання залишкових напружень у поверхневому шарі. Зміна режимів обкачування при багаторазовому деформуванні дає можливість забезпечити потрібний рівень залишкових напружень на поверхні та сформувати необхідну епюру залишкових напружень у поверхневому шарі оброблюваних виробів і тим самим підвищити ефективність ППД.
Вывод
Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної проблеми збільшення експлуатаційної надійності деталей машин, виготовлених із високоміцних сталей (УВ ? 1700 МПА), шляхом наведення в поверхневому шарі деталі залишкових стискувальних напружень засобом поверхневого пластичного деформування (ППД).
1. В роботі експериментально показано, що залишковий напружено-деформований стан, наведений ППД, є визначальним фактором у підвищенні втомної міцності високоміцних сталей. Критерієм якості поверхні деталей із високоміцних сталей після ППД є величина залишкових напружень. За результатами вимірів залишкових напружень з достатнім ступенем точності можна прогнозувати границю витривалості.
2. Процес обкачування роликами (кульками) не завжди забезпечує однорідний залишковий напружений стан по всій поверхні деталі. Цей процес може супроводжуватися виникненням знеміцнених (з точки зору рівня стискувальних залишкових напружень) локальних зон, які знижують ефективність ППД та визначають втомну міцність. Завдяки використанню в роботі рентгенівської тензометрії для вимірювання напружень були виявлені знеміцнені зони.
3. Виявлені принципово нові закономірності для випадку обкачування роликами у два і більше проходів, які вказують на можливість регулювання залишкових напружень у поверхневому шарі. Зміна режимів обкачування при багаторазовому деформуванні дає можливість забезпечити потрібний рівень залишкових напружень на поверхні та сформувати необхідну епюру залишкових напружень у поверхневому шарі оброблюваних виробів і тим самим підвищити ефективність ППД.
4. Обкачування деталей у декілька етапів формує зони перекриття (частини деталей, що зміцнені двічі), де порушується однорідність розподілу залишкових напружень. Напружений стан зон перекриття визначає втомну міцність деталей. Особливо шкідлива для втоми зона перекриття, що сформована кінцем обкачування при другому проході - границя витривалості зменшується на 30 %. Дано пояснення цим результатам.
5. Проведена оцінка ефективності різних технологічних схем обкачування з формуванням зон перекриття. Аналіз виявив, що технологічна схема обкачування є важливим параметром процесу зміцнення, який треба враховувати та призначати нарівні з іншими параметрами ППД (зусилля, геометрія зміцнюючого інструменту, подача та інше). Тільки за рахунок зміни технологічної схеми можливо збільшити довговічність деталей з високоміцних сталей у 2-2,5 рази.
6. Прогнозування надійності та довговічності деталей потребує знання не тільки рівня стискувальних залишкових напружень, що наведені ППД, але і їхню стійкість у процесі експлуатації. Показано, що стійкість залишкових напружень у процесі циклічного і повторно-статичного згину визначається як рівнем залишкових макронапружень, так і величиною навантаження, що прикладається, та тривалістю її дії. Наявність конструктивних концентраторів напружень призводить до більш інтенсивного зниження рівня залишкових стискувальних напружень і навіть до переходу у розтягувальні.
7. Виявлена принципово різна картина зміни залишкових напружень у зонах стиску та розтягування від зовнішнього навантаження. Втомна міцність деталей при плоскому згині визначається границею витривалості по тріщиноутворенню у зоні стиску. Максимальна довговічність виробів, що працюють у таких умовах, досягається наведенням при обкачуванні залишкових напружень (sзал), що задовольняють умові: sзал ? st - sзг, де st - границя текучості, sзг - напруження згину.
8. Експериментально показано, що конструктивні концентратори напружень, незалежно від коефіцієнта концентрації, форми надрізу та його параметрів, не викликають концентрації залишкових напружень, що наведені ППД.
9. Враховуючи результати досліджень, був розроблений спосіб зміцнення пресових зєднань типу вал-втулка із високоміцної сталі, який включає обкачування поверхні вала роликами в декілька проходів, що забезпечує необхідний рівень залишкових напружень у поверхневому шарі і, як наслідок, підвищення втомної міцності (Пат.45234А UA, С21 Д7/04/15.03.2002. Бюл.№3).
10. Отримані результати були використані при оптимізації режимів та схем обкачування для відповідальних важконавантажених деталей із високоміцних сталей (30ХГСН2А, 45ХНМФА) на ДП „Завод ім. В.О.Малишева”(м. Харків).
Список литературы
1. Белозерова В.В. (Субботина В.В.) Влияние структурного состояния стали 30ХГСН2А на уровень и устойчивость остаточных напряжений, наведенных ППД // Вестник Харківського державного політехнічного університету. - Харків: ХДПУ, 2000. - вип. 83. - с.40-43.
2. Белозеров В.В., Белозерова В.В. (Субботина В.В.), Ильинский А.И., Махатилова А.И. Повышение надежности и долговечности изделий из высокопрочных сталей с конструктивными концентраторами напряжений // Збірник наукових праць VIII Міжнародної конференції “Нові конструкційні сталі та стопи та методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”. - Запоріжжя. - 2000. - с. 16-18.
Здобувачеві належить формування наукових положень щодо підвищення втомної міцності виробів з конструктивними концентраторами напружень та проведення експериментальних досліджень.
3. Ильинский А.И., Белозеров В.В., Белозерова В.В. (Субботина В.В.), Махатилова А.И. Упрочнение прессовых соединений типа вал-втулка поверхностным пластическим деформированием // Вестник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2001. - вип.7. - с. 106-108.
Здобувачеві належить дослідження та обробка результатів вимірювання залишкових напружень у зразках та виробах із високоміцних сталей.
4. Белозеров В.В., Белозерова В.В. (Субботина В.В.), Махатилова А.И. Фактор остаточных напряжений в усталостной прочности высокопрочных сталей // Сб. докладов II-го Международного симпозиума “Оборудование и технология термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”. - Харьков. - 2001. - с. 144-148.
Здобувачеві належить обробка результатів вимірювання залишкових напружень у зразках та виробах із високоміцних сталей 30ХГСН2А і 45ХНМФА.
5. Белозерова В.В. (Субботина В.В.). О причинах снижения эффективности ППД деталей из высокопрочных сталей // Вестник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. - вып.6. - том 2. - с. 60-66.
6. Деклараційний патент на винахід 45234 AUA, 7 С21Д7/04/15.03.2002 р. Спосіб зміцнення пресових зєднань типу вал-втулка. Білозеров В.В., Білозерова В.В. (Субботіна В.В.), Ільїнський О.І., Махатілова А.И. - НТУ “ХПІ”.
Здобувачеві належить експериментальні дослідження втомної міцності натурних виробів після обкачування поверхні роликами.
7. Белозеров В.В., Махатилова А.И., Субботина В.В. Разрушение высокопрочных сталей с конструктивным концентратором напряжений при циклическом нагружении // Сб. трудов Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов”. - Тольятти. - 2003. - т. 1. - с. 28.
Здобувачеві належить формування наукових положень щодо підвищення втомної міцності виробів з конструктивними концентраторами напружень та проведення експериментальних досліджень.
8. Белозеров В.В., Ильинский А.И., Махатилова А.И, Субботина В.В. Остаточное напряженное состояние высокопрочных сталей после поверхностного пластического деформирования // Сб. трудов Международной научно-практической конференции “100 лет производственной и научной работы Центральной лаборатории ГП “Заводим. В.А. Малышева”. - Харьков. - 2003. - с. 136-141.
Здобувачеві належить дослідження та обробка результатів вимірювання залишкових напружень у зразках та виробах із високоміцних сталей 30ХГСН2А і 45ХНМФА.
9. Белозеров В.В., Махатилова А.И., Субботина В.В. Управление величиной и распределением остаточных макронапряжений обкатыванием роликами // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн. - техн. сборник. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2004 - вып. 66. - с. 9-11.
Здобувачеві належить вивчення впливу багаторазового обкачування на рівень залишкових напружень і втомну міцність високоміцних сталей.
10. Белозеров В.В., Махатилова А.И., Субботина В.В. Поверхностное упрочнение высокопрочных сталей обкатыванием роликами // Вестник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. - вып.24. - с. 11-16.
Здобувачеві належить дослідження та обробка результатів вимірювання залишкових напружень у зразках та виробах із високоміцних сталей 30ХГСН2А і 45ХНМФА.