Full Text

Введение Повышение надежности и долговечности деталей машин является одной из важнейших задач, комплексное и системное решение которой сопровождает, как правило, создание и эксплуатацию всех изделий современной техники. Известно, что основные виды разрушения деталей машин составляют усталостные поломки, которые приводят к тяжелым последствиям, так как возникают внезапно. Одной из основных характеристик деталей машин по сопротивлению усталости является предел выносливости, прогнозируемое значение которого в значительной мере зависит от достоверности расчетов, выполненных на этапах проектирования и разработки конструкторской документации. Ввиду этого выбор конструкции, материалов, геометрических параметров деталей с концентраторами напряжений, технологии изготовления представляет собой весьма сложную задачу. В этих условиях существенно возросло значение расчетно-теоретического и расчетно-экспериментального анализа эксплуатационных характеристик конструкций и деталей. Достижения современной вычислительной (компьютерной) техники обеспечили материальную базу для становления и быстрого развития математического моделирования. Кроме того, появились реальные предпосылки для использования математических моделей не только в качестве расчетного сопровождения на стадии отработки конструктивных решений, но и при проектировании, подборе и оптимизации технологических и эксплуатационных режимов, анализа надежности и прогнозирования отказов и аварийных ситуаций, а также при оценке возможности форсирования характеристик и модернизации изделий. В настоящее время для моделирования сложных процессов, протекающих в физических объектах, используются вычислительные программные комплексы. Их применение дает возможность проведения многофункционального численного эксперимента для плоских или трехмерных моделей объектов с учетом взаимного влияния протекающих процессов. Теоретические исследования В данной работе для исследования распределения сжимающих остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя и его влияния на повышение предела выносливости деталей использован расчетно-экспериментальный метод, основными задачами которого являются прогнозирование приращения предела выносливости за счет поверхностного упрочнения, а также оптимизация технологических процессов упрочнения. Основной расчетной базой данного метода является конечно-элементное моделирование с применением комплекса PATRAN/NASTRAN, а в экспериментальную часть входит использование механических методов определения распределения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя. Методы определения остаточных напряжений в упрочненных деталях или образцах разделяются обычно на механические и физические [1]. Механические методы основаны на принципе упругой разгрузки объема детали (образца) при ее освобождении от остаточных напряжений. К ним относят метод полосок, метод колец и полосок, метод обтачивания, метод растачивания, метод удаления части поверхности и ряд других. Физические методы основаны на замерах изменений физических свойств материалов в зависимости от степени упругого деформирования. В отличие от механических, физические методы не связаны с обязательным разрушением образца или детали. Несмотря на это достоинство, следует отметить, что точное распределение остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя можно получить только лишь с помощью механических методов с разрушением детали или образца. Объекты и методика исследования Примененный в данном исследовании расчетно-экспериментальный метод с использованием образцов-свидетелей и современных расчетных комплексов, реализующих метод конечных элементов в форме перемещений, позволяет сохранить исследуемую деталь и получить распределение остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя в любом ее сечении. В этом случае при определении остаточных напряжений механическими методами разрушению подвергается только образец-свидетель. В производстве образцы-свидетели традиционно используются для контроля технологических процессов упрочнения деталей различными способами поверхностного пластического деформирования (ППД). Такой образец, имеющий определенную форму и размеры, проходит весь технологический цикл обработки вместе со штатной деталью. В основе вышеуказанного расчетно-экспериментального метода лежит известное положение о том, что обрабатываемые совместно деталь и образец-свидетель при ППД получают одинаковые первоначальные деформации. Однако во всех случаях практического применения это положение требует проведения тщательной экспериментальной и расчетной проверки. В рамках данной работы было проведено исследование результатов испытаний на усталость и экспериментальное определение остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя нескольких партий цилиндрических образцов с надрезами из стали 30ХГСА [2]. Исследуемые партии образцов (рис. 1) с наружным D и внутренним d диаметрами имели следующие размеры: D/d = 10/0; 15/0; 15/5; 15/10 мм/мм. Рис. 1. Цилиндрический образец и нераспространяющаяся трещина усталости Гладкие образцы до нанесения надрезов подвергались гидродробеструйной обработке (ГДО) дробью диаметром 2 мм в среде масла при давлении 0,28 МПа. В качестве образца-свидетеля при проведении исследований вышеуказанных партий образцов использовались цилиндрические втулки с размерами 51,5/45 мм/мм, которые обычно применяются для определения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя методом колец и полосок [3]. Расчетная часть исследований выполнялась методом конечно-элементного моделирования с использованием комплекса PATRAN/NASTRAN. Моделирование остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя выполнялось методом термоупругости [1, 4-6]. При проведении расчетов были приняты следующие допущения: - все исследуемые гладкие образцы и образец-свидетель при упрочнении получали одинаковые изотропные первоначальные деформации; - деформации сдвига малы и при определении первоначальных деформаций они не учитывались. Расчеты выполнялись в следующей последовательности: - определение первоначальных деформаций на конечно-элементной модели образца-свидетеля (втулки) с размерами 51,5/45 мм/мм; - расчет распределения остаточных напряжений в исследуемых гладких образцах по полученным значениям первоначальных деформаций образца-свидетеля; - сравнение расчетных распределений остаточных напряжений в гладких образцах с их экспериментальными распределениями, полученными в работе [2]. При определении первоначальных деформаций после ГДО в конечно-элементной модели образца-свидетеля исходными данными являлось экспериментально определенное распределение осевых остаточных напряжений по толщине а упрочненного поверхностного слоя, полученное в образце-свидетеле методом колец и полосок (рис. 2). Рис. 2. Распределение осевых sz остаточных напряжений в образце-свидетеле диаметром 51,5/45 мм/мм после ГДО Следующий этап расчета выполнялся на конечно-элементных моделях исследуемых гладких образцов по первоначальным деформациям образца-свидетеля. Известно [2, 7-10], что при оценке приращения предела выносливости определяющими являются осевые остаточные напряжения. Исходя из этого сравнение расчетных и экспериментальных распределений остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя для исследуемых образцов выполнено по осевому компоненту. Результаты экспериментального [2] и расчетного распределений остаточных напряжений sz по толщине поверхностного слоя для исследуемых гладких образцов приведены на рис. 3. Из приведенных на рис. 3 данных видно, что максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными значениями наибольших сжимающих осевых остаточных напряжений составляет 10 % при D/d = 10/0 мм/мм, в остальных случаях расхождение не превышает 2 %. Ввиду этого на основании полученных результатов следует сделать вывод о том, что использованный расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений в исследованных образцах из стали 30ХГСА после ГДО по первоначальным деформациям образца-свидетеля вполне обоснован и может быть рекомендован для применения на практике. На неупрочненные и упрочненные гладкие образцы перед испытаниями на усталость наносились круговые надрезы полукруглого профиля радиусом R = 0,3 мм (см. рис. 1). Осевые sz остаточные напряжения по толщине а наименьшего (опасного) сечения образцов определялись аналитическим [11, 12] и численным [13, 14] методами. Распределения осевых sz остаточных напряжений в опасном сечении образцов с надрезом R = 0,3 мм представлены на рис. 4. а б в г Рис. 3. Распределение осевых sz остаточных напряжений, определенных экспериментальным (1) и расчетным (2) методами, в гладких цилиндрических образцах после ГДО: а - D/d = 10/0 мм/мм; б - D/d = 15/0 мм/мм; в - D/d = 15/5 мм/мм; г - D/d = 15/10 мм/мм а б в г Рис. 4. Распределение осевых sz остаточных напряжений в опасном сечении упрочненных образцов с надрезом R = 0,3 мм, рассчитанных по экспериментальным (1) и расчетным (2) остаточным напряжениям гладких образцов: а - D/d = 10/0 мм/мм; б - D/d = 15/0 мм/мм; в - D/d = 15/5 мм/мм; г - D/d = 15/10 мм/мм Из представленных на рис. 4 данных видно, что расхождение по наибольшим значениям сжимающих остаточных напряжений в образцах с надрезом R = 0,3 мм, вычисленным по экспериментальным и расчетным распределениям остаточных напряжений гладких образцов, не превышает 6 % (D/d = 10/0 мм/мм). Прогнозирование предела выносливости Полученные расчетным методом распределения осевых остаточных напряжений (см. рис. 4) использовались для оценки влияния гидродробеструйной обработки на приращение предела выносливости образцов с надрезами при изгибе в случае симметричного цикла с применением критерия среднеинтегральных остаточных напряжений [2, 15-18] по следующей формуле: , (1) где - коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию , (2) где - осевые остаточные напряжения в опасном сечении образца по толщине поверхностного слоя ; x - расстояние от поверхности опасного сечения образца до текущего слоя, выраженное в долях - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей в опасном сечении упрочненного образца (детали) при работе на пределе выносливости. На основании многочисленных экспериментальных данных для образцов и деталей из различных материалов с различными концентраторами напряжений в работе [19] было установлено, что коэффициент зависит только от степени концентрации напряжений и вычисляется для случая изгиба по следующей формуле: , где - теоретический коэффициент концентрации напряжений, который определялся по данным справочника [20] и представлен в таблице. В работах [2, 16, 21] установлено, что критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости не зависит от вида поверхностного упрочнения, материала, типа и размеров концентратора, величины сжимающих остаточных напряжений, типа деформации, асимметрии цикла напряжений и определяется только размерами опасного поперечного сечения. Для цилиндрических образцов и деталей зависимость для имеет следующий вид [2, 21]: , (3) где - диаметр опасного сечения образца или детали, - диаметр отверстия образца или детали (см. рис. 1). Расчетные значения , вычисленные по формуле (3), приведены в таблице. Критерий среднеинтегральных остаточных напряжений значения которого представлены в таблице, вычислялся по формуле (2) по толщине поверхностного слоя опасного сечения образцов с надрезами, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. При расчете критерия использовались распределения осевых остаточных напряжений в образцах с надрезами R = 0,3 мм, приведенные на рис. 4. После вычисления критерия и коэффициента по формуле (1) определялись расчетные значения приращения пределов выносливости упрочненных гидродробеструйной обработкой образцов с надрезами радиусом R = 0,3 мм (см. таблицу) и сравнивались с экспериментальными значениями , приведенными в работе [2]. Расчетные и экспериментальные значения пределов выносливости образцов с надрезами D, мм d, мм D1, мм мм МПа МПа МПа Расхождение, % 10 0 9,4 2,7 0,393 0,203 -240 94 90 5 15 0 14,4 2,8 0,385 0,311 -196 75,5 77,5 3 15 5 14,4 2,8 0,385 0,303 -211 81,3 77,5 5 15 10 14,4 2,9 0,377 0,249 -218 82,1 80 3 Из представленных в таблице данных видно, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями приращения пределов выносливости за счет ГДО не превышает 5 %. Таким образом, используя результаты определения осевых остаточных напряжений в образцах-свидетелях, можно прогнозировать предел выносливости упрочненных гидродробеструйной обработкой цилиндрических деталей из стали 30ХГСА в условиях концентрации напряжений с достаточной для многоцикловой усталости точностью. Выводы Проведенное исследование показало, что для прогнозирования предела выносливости упрочненных гидродробеструйной обработкой цилиндрических деталей с концентраторами напряжений из стали 30ХГСА представляется возможным использовать образцы-свидетели, обработанные одновременно с деталями. Далее по полученному распределению этих напряжений можно вычислить критерий среднеинтегральных остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. И, наконец, по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений с использованием коэффициента концентрации можно рассчитать приращение предела выносливости детали за счет поверхностного упрочнения.

About the authors

V. F Pavlov

Samara National Research University (Samara University)

V. P Sazanov

Samara National Research University (Samara University)

V. S Vakulyuk

Samara National Research University (Samara University)

References

Statistics

Views

Abstract - 70

PDF (Russian) - 36

Refbacks

• There are currently no refbacks.