Исследование технологии повышения долговечности плоских деталей с отверстиями

Качество продукции всегда являлось важнейшей проблемой машиностроительного производства.

Достижение высокого качества изделий машиностроения связано с технологическим обеспечением таких ее показателей как надежность и долговечность машин, механизмов и отдельных деталей. В свою очередь, надежность и долговечность зависит от условий эксплуатации, а также от конструктивных особенностей деталей машин. Так наличие всевозможного характера концентраторов напряжений значительно снижает надежность и уменьшает долговечность. Среди таких концентраторов, связанных с конструкцией детали, большое распространение имеют всевозможные отверстия, имеющиеся в детали в связи с ее функциональным ' назначением. Особенно важно обращать внимание на долговечность таких деталей, используемых для летательных аппаратов, когда их надежность определяет безопасность жизнедеятельности людей.

Обеспечение высокой долговечности таких деталей может быть осуществлено применением соответствующей технологии, используемой для повышения сопротивления поверхности с отверстием действию эксплуатационных нагрузок. Часто применение такой технологии является необходимым дополнительным процессом, направленным не только на формообразование изготавливаемой детали, а на целенаправленное изменение физико-химических и механических свойств и характеристик поверхностного слоя детали, определяющих ее качество. В связи с этим существует даже название такой технологии как упрочняющая.

В зависимости от конструктивных и эксплуатационных особенностей детали машины выбирается и применяется определенный технологический процесс упрочнения поверхностного слоя, который может включать несколько способов поверхностного пластического деформирования, направленных на решение требований условий эксплуатации деталей и повышение степени ее сопротивления всему комплексу действующих нагрузок. Чем сложнее условия эксплуатации, тем комплекснее должен быть применяемый технологический процесс упрочнения.

Поверхностная зона вокруг отверстия является сложным конструктивным элементом детали и может быть упрочнена различными способами, например раскатка отверстия с последующим применением статического или динамического способа упрочнения торцов. К последним можно отнести малоисследованный процесс упрочнения потоком летящих шариков под действием центробежных сил, а также, так называемое, глубокое местное пластическое деформирование вдавливанием стального шара (глубокое точечное деформирование).

В данной работе предусматривается проведение исследований возможности применения комбинированной технологии упрочнения поверхностной зоны около отверстия деталей такими способами как раскатка поверхности отверстия, глубокое точечное деформирование торцов отверстия или упрочнение их потоком стальных шариков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведенный анализ конструкции деталей машин на основе существующей классификации показал, что многие из них в качестве конструктивных элементов имеют отверстия различных размеров. Эти отверстия в процессе эксплуатации деталей машин в различных условиях статических и динамических нагрузок играют роль концентраторов напряжений, которые неблагоприятно влияют на сопротивление детали эксплуатационным нагрузкам. Особенно это заметно на плоских маложестких деталях, изготовленных из легких сплавов (титановых, алюминиевых). Поэтому при изготовлении таких деталей особенное внимание обращается на технологию обработки отверстий (их направлящей поверхности и торцов) с целью обеспечения заданной эксплуатационной долговечности.

Как правило, используются дополнительные технологические процессы или операции, направленные на улучшение физико-химических и механических свойств и характеристик поверхностного слоя отверстий.

К наиболее распространенным технологическим процессам относятся различные методы поверхностного пластического деформирования, возможность использования которых зависит, в большой степени, от конструктивных особенностей деталей. При обработке отверстий небольшого диаметра (до 20−3Омм) чаще всего применяется раскатка, дорнование, дробеупрочнение стальными шариками. В последнее время находит применение также местное (точечное) глубокое пластическое деформирование вдавливанием различного профиля пуансонов вокруг отверстия.

Поскольку возможности каждого их методов ограничены, возникает необходимость применения нескольких методов в определенной последовательности, вид и очередность применения которых зависит от многих факторов, которые должны быть исследованы в каждом конкретном случае. В данной работе были проведены исследования возможности применения комплексной технологии (нескольких методов в определенной последовательности) обработки (упрочнения) отверстий с целью обеспечения высокой эксплуатационной долговечности плоских деталей с отверстиями.

2. Аналитические исследования напряженного состояния поверхностного слоя отверстий на основе энергетического подхода с учетом распределения энергии в процессе единичного упругопластического внедрения абсолютно жесткого шара в полубесконечную плоскость показали, что образование остаточных напряжений зависят от количества энергии, расходуемой на упругопластическое деформирование поверхностного слоя и его нагрев. При этом в точках контакта температура может достигать высоких значений (в зависимости от скорости деформирования) и способствовать значительному нагреву поверхностного слоя, что может сопровождаться структурными и фазовыми изменениями, выраженными в появлении его разупрочнения, дроблении блоков мозаики структур.

3. На основании расчета количества энергии, вносимой в поверхностный слой при единичном внедрении жесткого шара определены такие параметры упругопластического деформирования как глубина пластической (остаточной) деформации, на основании которой можно прогнозировать изменение шероховатости поверхности при неоднократных соударениях шара с плоской поверхностью.

4. Проведенные лабораторные исследования показали, что раскатывание отверстий на исследованных режимах способствует образованию в поверхностном слое остаточных тангенциальных напряжений различного знака, зависящих от величины продольной подачи и натяга между диаметральными размерами раскатника и отверстия. Сжимающие тангенциальные напряжения (апов, атах) можно получить в поверхностном слое, если величина натяга h находится в пределах 0,04. 0,20 мм. С ростом продольной подачи величина остаточных сжимающих напряжений уменьшается. Скорость раскатывания и исходная шероховатость поверхности оказывают слабое влияние на формирование напряженного состояния в поверхности раскатываемого отверстия.

5. После дробеметной обработки образцов на всех исследуемых режимах в принятых условиях в поверхностном слое плоскостей и отверстий наблюдаются сжимающие остаточные напряжения, эпюры изменения которых по глубине зависят от размера и массы шариков, времени упрочнения и исходного состояния поверхности. При этом в поверхностном слое металла чаще наблюдаются напряжения с подслойным максимумом.

6. Процесс изменения шероховатости в зависимости от диаметров применяемых шариков и времени упрочнения носит экстремальный характер, который объясняется явлением перенаклепа, наступающего после определенного периода времени при упрочнении шариками большого диаметра. Такие шарики сразу же при столкновении с шероховатой поверхностью сминают неровности и образуют дополнительные лунки (вмятины) глубина которых формирует новые неровности. А сила удара, по-видимому, так велика, что он приводит к указанному перенаклепу. Поэтому для формирования требуемой шероховатости поверхности дробеметной обработкой стальными шариками необходимо выбирать их наименьшего диаметра (< 1 мм).

7. Результаты лабораторных исследований долговечности плоских образцов из титановых сплавов ОТ4−1 и ВТЗ-1, подвергнутых комплексному упрочнению дробеупрочнением с глубоким точечным пластическим деформированием — вдавливанием (обжатием) стальными шариками торцовых зон отверстия с двух сторон одновременно показали увеличение долговечности на уровне напряжений, превышающих предел выносливости при переменном растяжении в несколько раз. Еще большему росту долговечности способствовало наличие натяга в болтовом соединении крепления образцов по отверстиям.

8. На основании проведенных теоретических и лабораторных исследований предложен комплексный технологический процесс упрочнения поверхностей с отверстиями, включающий дробеметную обработку (стальными шариками определенного диаметра) плоской поверхности и отверстия с последующим нанесением отпечатков стальными шариками по определенной схеме их расположения вокруг отверстия.