Методы повышения усталостной прочности деталей

08_Statya_10Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.

Поведение металлических материалов при циклическом нагружении обусловлено многими факторами [1]: 1) структурным состоянием, термической обработкой (размер зерна; размер, форма и количество выделений или различных фаз; плотность дислокаций и их распределение) и, соответственно, от его механических свойств; 2) состоянием поверхностного слоя (химический состав, механические свойства и структура; остаточные напряжения, зависящие от вида механической или химико-термической обработки); 3) температурой и средой испытания; 4) масштабным фактором; 5) частотой нагружения; 6) концентрацией напряжений; 7) асимметрией цикла нагружения; 8) вида напряженного состояния; 9) контактного трения.

В основе повышения износостойкости и усталостной прочности деталей лежит воздействие на рабочую поверхность деталей и элементы кристаллической решетки металла путем применения различных видов обработок.

Слесарно-механическая обработка.

Эта обработка применяется для устранения задиров, рисок, наработки и других дефектов поверхности, а также для получения необходимой чистоты поверхности. Чем выше чистота поверхности, тем выше износостойкость детали. Наиболее часто для этих целей применяют шабрение, шлифование, полирование, хонингование, алмазное выглажывание.

Термическая обработка (закалка).

Этот способ применяется для повышения твердости поверхности детали. Для уменьшения хрупкости и снятия закалочных напряжений производят отпуск. Сочетание закалки с действием магнитного поля увеличивает прочность стали, так как кристаллы мартенсита принимают одну ориентацию во всех зернах. Поверхностная закалка применяется для повышения прочности и износостойкости деталей, работающих при ударной нагрузке, при этом основной металл детали остается незакаленным.

Химико-термическая обработка.

08_Statya_10-01Это технологический процесс, при котором происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхности металла. Обработка включает в себя азотирование, фосфатирование, анодирование, цианирование, сульфидирование, борирование, цементацию.

Гальваническая обработка.

Пористое хромирование рабочей поверхности производится в электролитической ванне. Вначале наносится слой хрома толщиной 0,15… 0,20 мм. Пористость создается переключением тока на обратный на 15…20 мин. Обратный ток вызывает выпадение частиц хрома с образованием мельчайших пор. Такая пористость улучшает смазку трущихся поверхностей и повышает срок службы деталей.

Механическое упрочнение.

Для механического упрочнения деталей применяют накатку, простое или ультразвуковое виброобкатывание, дробеструйную и гидроструйную обработку. Накатка шеек и галтелей осуществляется роликами, которые прижимают к поверхности детали. Трехроликовое приспособление исключает деформацию детали и разгружает суппорт и ходовой винт станка. Накатка выполняется за три оборота при 12… 15 об / мин. В процессе накатки в зону контакта подается смесь масла с керосином или полимерная жидкость. Одновременно с упрочнением поверхности повышается и ее чистота.

Виброобкатывание заключается в обкатывании поверхности детали шариком, который вибрирует параллельно оси вращения детали, совершая 2600 двойных ходов в минуту при амплитуде 2 мм.

08_Statya_10-02Ультразвуковое виброобкатывание получается при наложении на ролик колебаний ультразвуковой частоты, направленных перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. В результате при весьма малых статических усилиях обкатывания получается высокая степень упрочнения, при этом в зоне контакта создается температура 1000… 12000С. Этот способ применяется для упрочнения закаленной стали и чугуна.

Дробеструйная обработка заключается в том, что на механически и термически обработанную поверхность с большой скоростью направляют поток стальной или чугунной дроби диаметром 0,5…1,5 мм. Дробь выбрасывается энергией сжатого воздуха или лопатками колеса.

Гидроструйная обработка заключается в обработке деталей струей воды под давлением 0,4…0,6 МПа. Высоконапорная струя воды позволяет упрочнять поверхности сложной конфигурации.

Электромеханическое упрочнение. Данная обработка выполняется на токарно-винторезном станке. При вращении детали и перемещении инструмента с пластинкой из твердого сплава в зону контакта подводят электрический ток силой 350…1300 А и напряжением 2…6 В. Вместо резца можно использовать сглаживающий ролик. В зоне контакта выделяется значительная тепловая энергия, которая мгновенно нагревает зону контакта до температуры закалки. За счет радиального усилия инструмента поверхность сглаживается, а затем быстро охлаждается за счет отвода теплоты внутрь детали. В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2…0,3 мм с одновременным поверхностным наклепом, значительно повышающим износоустойчивость (до 10 раз) и усталостную прочность детали (до 6 раз).

Электроискровая обработка.

Упрочнение деталей этим способом основано на ударном воздействии направленного искрового разряда, вызывающего взрыв на поверхности детали в точке приложения импульса. В результате происходит перенос металла и упрочнение поверхности детали. Важную роль в повышении износостойкости и усталостной прочности деталей играют подбор пар трения и их смазки, а также применение защитных покрытий.

Наиболее широкое применение получили методы виброударного упрочнения, ударно-барабанный, пневмодинамический, дробеструйный, обкатывание (раскатывание) и алмазное выглаживание [6].

Виброударный метод.

Виброударный метод упрочнения основан на использовании колебаний не связанных друг с другом частиц упрочняющего тела (стальных шариков или абразивных гранул) и обрабатываемой детали. Упрочняющее тело и деталь помещаются в контейнер, находящийся в состоянии вибрации.

Виброударное упрочнение обладает рядом преимуществ: поверхность упрочняется не поэтапно, а вся одновременно; может быть обеспечена равномерность упрочнения по поверхности; инструмент (шарики) практически не изнашивается; процесс не оказывает теплового воздействия. Одним из важных достоинств является простота оборудования и инструмента. Однако область применения метода ограничивают его недостатки, к которым относятся ограниченные технологические и динамические возможности, сложности управления процессом, необходимость вибрационной и шумовой защиты.

Процесс виброударного упрочнения несмотря на кажущуюся простоту состоит из ряда разнородных и сложных явлений.

В зависимости от состава рабочих сред при виброударной обработке могут выполняться следующие основные операции: виброшлифование; виброполирование; виброупрочнение (вибронаклеп); виброшлифование с виброупрочнением.

При выполнении операций виброшлифования на деталях можно проводить снятие заусенцев, зачистку облоя, округление острых кромок, очистку поверхности от нагара, оксидной пленки, следов коррозии, а также упрочнение поверхностного слоя и создание в нем остаточных напряжений сжатия.

Операции виброшлифования и виброполирования выполняются рабочими средами, состоящими из абразива, дроби, стальных и твердосплавных шариков в смеси с абразивными пастами и растворителями. Операции виброупрочнения производятся, как правило, стальными полированными шариками диаметром 3…10 мм.

Особенности виброударного метода упрочнения заключаются в том, что движущиеся частицы упрочняющего тела не имеют жесткой связи между собой, легко контактируют со всей поверхностью обрабатываемой детали, что обеспечивает относительную равномерность обработки и возможность упрочнения деталей сложной формы. Объемный характер вибрации позволяет обрабатывать труднодоступные места деталей сложных замкнутых форм. Основными параметрами виброударного метода упрочнения являются: материал и диаметр шариков (или материал, размеры и форма зерен абразивного наполнителя); амплитуда и частота колебаний, определяющие скорость и ускорение вибрирующих частиц; продолжительность процесса упрочнения t; траектория частиц упрочняющего тела и изменение углового положения плоскости их движения во времени (зависит от типа виброустановки).

В настоящее время в промышленности применяются следующие вибрационные машины: ВМ-100 — контейнерного типа с U-образным контейнером, предназначенная для виброшлифования, виброполирования и виброупрочнения деталей. Вибромашина позволяет обрабатывать детали по технологическим схемам «в навал» и с закреплением в контейнере; МВ-100, МВ-500А — для виброабразивного шлифования, полирования и виброударного упрочнения деталей сложных форм с закреплением в контейнере и «в навал»; МВТ-100, МВТ-300, МВТ-600 — для объемного виброшлифования деталей с целью снижения параметров шероховатости поверхностей после механической обработки, притупления острых кромок, удаления заусенцев и облоя, подготовки поверхностей деталей под покрытия и виброполирование; ВЭХ-Зх1 — для виброабразивного шлифования деталей из черных и цветных металлов и их сплавов с закреплением на крышке контейнера с погружением в вибрирующую абразивную среду.

Пневмодинамический метод.

Этот метод основан на использовании кинетической энергии стальных шариков, сообщаемой струей воздуха, которая подается в рабочую камеру под давлением 300…600 кПа.

Особенность метода заключается в том, что благодаря малому закрытому объему рабочей камеры осуществляется многократное соударение шариков с поверхностью обрабатываемой детали, поэтому необходимо небольшое количество стальных шариков (до 10…12 кг). Метод не требует сложного и тяжелого оборудования, специальных фундаментов. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей деталей их обработка производится с использованием следующих технологических приемов: вращением деталей в рабочей зоне камеры (для тел вращения тип валов, цилиндров, лопастей и др.); перемещением рабочей камеры по длине детали или детали относительно неподвижной камеры.

Основными параметрами пневмодинамического метода упрочнения являются давление воздуха, материал и диаметр шариков, расстояние от щели сопла до поверхности, длина рабочей зоны камеры, удельная нагрузка шариков (отношение массы шариков к проекции рабочей зоны камеры), время обработки (время пребывания обрабатываемой поверхности в рабочей зоне).

Дробеструйный метод.

Этот метод основан на использовании кинетической энергии обрабатывающих сред, которые могут подаваться на обрабатываемую поверхность с помощью сжатого воздуха, жидкости под давлением, вращающихся лопаток дробеметных аппаратов.

Дробеструйный метод применяется для обработки деталей сложной формы и местного упрочнения. В качестве обрабатывающей среды применяется стальная дробь ДСЛ диаметром 0,8…1,2 мм (ГОСТ 11964), стальные шарики из ШХ-15 диаметром 0,8…3,0 мм (ГОСТ 3722), стальные микрошарики диаметром 50… 500 мкм. Перспективным является упрочнение микрошариками, позволяющее обрабатывать радиусы переходов, пазы, проточки, мелкие резьбы и т. д. Упрочнение микрошариками по сравнению с упрочнением дробью и шариками обеспечивает более гладкую обрабатываемую поверхность.

Основными параметрами дробеструйного метода являются: рабочая среда; расстояние сопла от обрабатываемой поверхности; угол, под которым струя дроби направляется на деталь; давление воздуха; продолжительность процесса.

Ударно-барабанный метод.

Этот метод применяется для упрочнения деталей из алюминиевых сплавов типа панелей, обшивок, лонжеронов, поясов, нервюр, стрингеров, шпангоутов с гладкими и ребристыми поверхностями. Ударно-барабанный метод может применяться также для крупногабаритных корпусных деталей, располагаемых в центральной части многогранного или цилиндрического барабана, и для крупногабаритных внутренних полостей, когда обрабатываемая деталь сама является барабаном.

Ударно-барабанное упрочнение производится путем соударения гранул сыпучего рабочего тела с поверхностями обрабатываемых деталей, закрепленных внутри стенок барабана, вращающегося вокруг горизонтальной или наклонной оси. Барабан имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Полость барабана разделена центральной перегородкой на две рабочие камеры. Обрабатываемые детали закрепляются на съемных щитах, закрывающих проемы рабочих камер, и на центральной перегородке. При вращении барабана гранулы сыпучего рабочего тела падают на поверхности обрабатываемых деталей. При соударении поверхностный слой деталей пластически деформируется, в результате чего происходит упрочнение. Обе поверхности деталей упрочняются поочередно. В качестве сыпучего рабочего тела применяются кубики со стороной размером 2…5 мм из сплава В95‑Т1. Для повышения равномерности обработки деталей направление вращения барабана периодически реверсируется. Обработка производится «всухую». Рабочие камеры барабана вентилируются в процессе работы. Выгрузка сыпучего рабочего тела по окончании цикла упрочнения не требуется.

Обкатывание (раскатывание).

Метод обкатывания рекомендуется для обработки деталей, имеющих гладкие наружные цилиндрические и конические поверхности и концентраторы напряжений типа галтелей, канавок, надрезов, резьб. Процесс обкатывания основан на вдавливании твердого металлического инструмента (шарика, ролика) в обрабатываемую поверхность при их взаимном перемещении. Шероховатость поверхности в результате обкатывания снижается.

Метод раскатывания рекомендуется для размерно-чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических и конических отверстий второго — третьего класса точности. Процесс основан на вдавливании более твердого, чем обрабатываемый материал, инструмента в упрочняемую поверхность. Операция производится многороликовым инструментом (раскатником). При раскатывании достигаются: шероховатость поверхности Ra 0,63…0,08 (при исходной Rz 2,0…2,5); сглаженный микрорельеф с коэффициентом прилегания 0,9 при исходном 0,1…0,15.

Алмазное выглаживание.

Этот метод рекомендуется для упрочнения поверхностей деталей в узлах, воспринимающих статические, ударные и повторно-переменные нагрузки при нормальных и повышенных температурах.

Алмазное выглаживание является процессом отделочно-упрочняющей окончательной обработки путем пластического деформирования тонких поверхностных слоев детали инструментом с кристаллом алмаза, заправленным по сфере или цилиндру с R=1…3 мм. В процессе алмазного выглаживания формируется качественно новый микрорельеф поверхности с скругленными выступами и впадинами, без концентраторов напряжений, маркирования абразивными частицами, трещин и прижогов. Шероховатость поверхности уменьшается в зависимости от обрабатываемого материала и исходной шероховатости поверхности. Процесс выглаживания поверхностей тел вращения сходен с токарной обработкой: обрабатываемая деталь совершает вращательное движение, а суппорт с державкой — продольную подачу.

Алмазный наконечник, закрепленный в державке, прижимается с нужным усилием к выглаживаемой поверхности. При выглаживании конических фасонных поверхностей можно применять копировальные устройства. Основными параметрами процесса являются: радиус сферы наконечника, сила прижима, продольная подача и окружная скорость.

Заключение. Рассмотренные методы повышения усталостной прочности, а также факторы влияющие на усталость материалов дают представление о поведения материалов, достижении требуемых свойств различными методами, возможность проведения исследований в области применения комбинированных методов повышения усталостной прочности.

Салоид А. А


Комментарии (0)





Партнеры нашего журнала