Закономерности распределения остаточных напряжений при упрочнении малых по протяжённости зон цилиндрических деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ УПРОЧНЕНИИ МАЛЫХ ПО ПРОТЯЖЁННОСТИ ЗОН ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию (проект РНП.2.1.1/3397).

В.Ф. Павлов, В.С. ВакулюкПавлов Валентин Федорович - д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Сопротивление материалов».

остаточный напряжение деталь протяженность

Рис. 1. Область детали, разбиваемая на конечные элементы

Рис. 2. Варианты изменения первоначальной деформации по толщине упрочнённого слоя

Расчёт остаточных напряжений проводился методом конечных элементов по изотропным первоначальным деформациям [2]. В силу симметрии на треугольные конечные элементы разбивалась четвёртая часть цилиндра, показанная на рис.1. На рис. 2 представлены законы изменения первоначальной деформации по толщине упрочнённого слоя (по радиусу ). В расчётах были приняты следующие размеры: диаметр цилиндра =3,0 мм и 5,0 мм; длина =6,0 мм; толщина слоя с первоначальной деформацией =0,05; 0,10; 0,20; 0,35 мм; протяжённость зоны упрочнения изменялась в пределах от 0,6 мм до 12,0 мм. Величина первоначальной деформации принималась = и постоянной по толщине слоя. При =0,2 мм был также рассмотрен линейный закон изменения деформации по толщине цилиндра (рис. 2, б). На достаточную точность проведённых расчётов указывает хорошая сходимость результатов расчёта (рис. 3) в случае упрочнения всей поверхности цилиндра и вычислений по аналитическим зависимостям работы [2].

На рис. 4 показаны эпюры остаточных напряжений при упрочнении цилиндра (=3 мм) в среднем его сечении для постоянных и линейно изменяющихся по толщине поверхностного слоя при = 0,2 мм. Можно видеть, что в части сечения детали без первоначальной деформации, т.е. в сердцевине детали, растягивающие остаточные напряжения постоянны по толщине независимо от закона изменения первоначальной деформации. Этот результат согласуется с аналитическим решением [2] и позволяет строить реактивную часть эпюры остаточных напряжений по аналитическим зависимостям исходя из условия равновесия.

Результаты расчёта (рис. 3, 5) показывают, что с уменьшением длины упрочняемой зоны при неизменной толщине в средней части зоны происходит падение сжимающих остаточных напряжений и переход их в растягивающие при

. (1)

Рис. 3. Зависимость остаточных напряжений от протяжённости упрочняемой зоны в среднем сечении детали: ( а ---- - =5 мм, - - - - =3 мм, б - • - - =5 мм ) на расстоянии 0,025 мм от поверхности при толщине упрочнённого слоя: 1 - =0,05 мм; 2 - =0,1 мм; 3 - =0,2 мм; 4 - =0,35 мм

Образование растягивающих остаточных напряжений при упрочнении цилиндрических деталей роликом без продольной подачи наблюдалось в процессе эксперимента [3].

Рис. 4. Остаточные напряжения в равномерно упрочнённом цилиндре при =3 мм, =6,0 мм, =0,2 мм (варианты упрочнения: ---- - а, - • - - б)

Следует заметить, что с увеличением градиент сжимающих остаточных напряжений по длине детали увеличивается. При упрочнении малых зон определяющим в распределении остаточных напряжений становится отношение , а не , как при упрочнении по всей поверхности, т.е. в этом случае уменьшается влияние поперечных размеров детали (рис. 5). Необходимо отметить также появление экстремального значения сжимающих остаточных напряжений вне зоны упрочнения (рис. 6) при одновременном падении остаточных напряжений в средней части этой зоны (рис. 6, 7). Увеличение толщины упрочнённого слоя усиливает этот эффект, что скажется на сопротивлении усталости деталей с малыми зонами упрочнения.

Для экспериментального подтверждения основных положений эффекта малых по протяжённости зон упрочнения были проведены испытания на многоцикловую усталость гладких образцов диаметром 10 мм, изготовленных точением из нормализованной стали 45 (=422 МПа, =710 МПа, =19,7%, =41,4%) в соответствии с ГОСТ 25.502-79, база испытаний - циклов нагружения. Испытания образцов при чистом изгибе с вращением проводились на машине МУИ-6000 методом ступенчатого изменения нагрузки (метод «вверх--вниз»). Значения предела выносливости и среднеквадратичного отклонения предела выносливости вычислялись по методике [4]. В качестве упрочняющей обработки использовалось обкатывание роликом диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм на токарном станке 1К62. Было изготовлено и испытано пять партий образцов. Характер и режимы упрочнения (усилие накатывания , продольная подача , число оборотов , СОЖ), а также результаты испытаний представлены в табл. 1.

Первая партия образцов испытывалась после точения (исходное состояние). Вторая и третья подвергались равномерному упрочнению по всей поверхности рабочей части образца. На образцы четвёртой и пятой партий за один оборот наносились одиночные следы упрочняющим роликом без продольной подачи.

Рис. 5. Зависимость остаточных напряжений от отношения цилиндрической детали на расстоянии 0,025 мм от поверхности: 1 - = 3 мм, = 0,6 мм; 2 - = 5 мм, = 0,6 мм; 3 - = 3 мм, = 4,2 мм; 4 - = 5 мм, = 4,2 мм

Рис. 6. Распределение остаточных напряжений в цилиндрической детали (=5 м, =0,6 мм) на расстоянии 0,025 мм от поверхности при толщине упрочнённого слоя: 1 - =0,05 мм; 2 - =0,2 мм; 3 - =0,35 мм

Рис. 7. Распределение остаточных напряжений в цилиндрической детали (=5 мм, =2,4 мм) на расстоянии 0,025 мм от поверхности при толщине упрочнённого слоя: 1 - =0,05 мм; 2 - =0,2 мм; 3 - =0,35 мм

Равномерное упрочнение образцов приводит к существенному увеличению предела выносливости и составляет, соответственно, 26 и 32% при =0,5 и =1,0 кН. Предел выносливости четвёртой и пятой партий образцов несколько снизился по сравнению с исходным состоянием, причём при =1,0 кН снижение более значительное, чем при =0,5 кН. Необходимо отметить, что все поломки образцов этих партий произошли по середине следа от упрочняющего ролика.

Ширина одиночного кольцевого следа ролика, которую можно принять за протяжённость зоны упрочнения , измерялась на инструментальном микроскопе УИМ-23 с точностью 0,005 мм. В табл. 2 приведены средние значения по 15-ти образцам в каждой партии. Толщина упрочнённого слоя вычислялась по методике работы [5]:

Таблица 1

Режимы упрочнения образцов и результаты испытаний на усталость

, (2)

где - усилие накатывания, - предел текучести материала образца, , , - радиус ролика, - профильный радиус ролика, - радиус обрабатываемой детали.

Результаты расчёта по формуле (2) содержатся в табл. 2. Можно видеть, что для образцов с одиночным кольцевым следом выполняется условие (1), поэтому в среднем сечении образца возникают растягивающие остаточные напряжения, чем и объясняется уменьшение предела выносливости четвёртой и пятой партий образцов по сравнению с первой.

Таблица 2

Параметры одиночного кольцевого следа

Возникает вопрос: не является ли наблюдаемое снижение предела выносливости следствием концентрации рабочих напряжений, возникающей на дне кольцевого следа с глубиной и радиусом (рис. 8)? По результатам измерений и был определён теоретический , а затем вычислен эффективный коэффициент концентрации напряжений по формуле

, (3)

где [7] - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Значения (см. табл. 2) свидетельствуют о том, что имеющаяся концентрация рабочих напряжений не может быть причиной уменьшения предела выносливости образцов с одиночным кольцевым следом.

Рис. 8. Профиль одиночного кольцевого следа

Таким образом, уменьшение предела выносливости, локализация очага разрушения, параметры зоны упрочнения образцов с одиночным кольцевым следом от обкатного ролика подтверждают выявленное выше расчётным путём возникновение растягивающих остаточных напряжений при упрочнении малых по протяжённости зон деталей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами напряжений. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 64 с.

2. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

3. Белозёров В.В., Махатилова А.И., Туровский М.Л., Шифрин А.М. Остаточные макронапряжения при обкатывании без продольной подачи // Вестник машиностроения. - 1986. - №10. - С. 59-61.

4. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов. - М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

5. Кудрявцев И.В., Минков Я.Л., Дворникова Е.Э. Повышение прочности и долговечности крупных деталей машин поверхностным наклёпом. - М.: НИИинформтяжмаш, 1970. - 144 с.

6. Савин Г.Н., Тульчий В.И. Справочник по концентрации напряжений. - Киев: Вища школа, 1976. - 412 с.

7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 608 с.

Размещено на Allbest.ru