книги / Усталость крупных деталей машин

Применение указанных установок позволило значительно повы­ сить предел выносливости ряда деталей из титановых и жаропроч­ ных материалов.

Находят также широкое применение различные комбиниро­ ванные методы упрочнения (ППД в сочетании с поверхностной закалкой, с термохимической и термомеханической обработкой, с гальваническими покрытиями и пр.). Применительно к крупным сварным конструкциям получает распространение комбиниро­ ванная упрочняющая обработка методом ППД в сочетании с пред­ варительной аргонодуговой обработкой сварных швов (ме­ тод ЦНИИ МПС).

Практика применения упрочняющих обработок ППД в про­ мышленности весьма разнообразна и относится к разным отраслям машиностроения. С большой эффективностью упрочняют оси подвижного состава железных дорог, судовые гребные валы- (диат метром 600 мм и более), рессоры и торсионы колесных транспорт­ ных машин, резьбовые колонны и стяжки, крупномодульные ше­ стерни и др. Упрочнение деталей поверхностным наклепом ус­ пешно применяют на многих заводах нашей страны (транспорт­ ного машиностроения, тяжелого машиностроения, автомобильных и авиационных, дизельных, тракторных и др.).

Значительный успех достигнут в исследованиях и применении упрочнений ППД галтелей прямых и коленчатых валов (см. гл. II). Во многих случаях существенно удается повысить несущую спо­ собность сварных и других конструкций вследствие предвари­ тельных перегрузок, создающих наклеп и благоприятные напря­ жения в опасных зонах. В ряде случаев метод перегрузок может быть использован взамен операции высокого отпуска.

На заводах СССР ежегодно методом ППД упрочняют сотни тысяч коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. В по­ точных линиях обработки коленчатых валов успешно работают автоматы и полуавтоматы для упрочнения галтелей валов ППД. Упрочнению ППД подвергают как детали с малыми размерами поперечных сечений, так и весьма крупные детали (резьбовые стяжки 0 850 мм, траверсы мощных прессов, коленчатые валы мощных судовых дизелей и пр.).

По имеющимся данным, ППД нашло широкое распространение и за рубежом. Зарубежные самолетостроительные фирмы весьма широко применяют ППД для упрочнения деталей из стали и алю­ миния (детали опоры узла крыла, детали шасси, обшивки и др.). По американским источникам, ППД было применено и для упроч­ нения сварных швов стабилизаторов ракетоносителя «Сатурн» при подготовке к совместному полету «Союз»—«Аполлон». При этом для упрочнения швов были применены пневматические ин­ струменты с пучковыми бойками из проволок.

Как отечественная так и зарубежная практика показывает

весьма высокую эффективность обработок ППД. Во многих слу­

чаях удается существенно повысить запасы прочности деталей,

работающих при переменных нагрузках, и в десятки раз увели­ чить срок их службы.

Нет сомнения, что прогрессивная технология упрочнения де­ талей ППД будут находить все большее применение в промышлен­ ности.

Ряд зарубежных фирм выпускает специальное оборудование для упрочняющих обработок ППД. Так, фирма Манк Шмит (ФРГ, г. Кельн) изготовляет вакуумные дробеструйные установки для обработки крупных деталей с отсасыванием рабочей смеси. Изго­ товляют оборудование для ППД также фирмы Швеции, США, Англии, Франции и других стран. Фирма «Вестингауз» (США) для обработки крупных деталей и узлов турбин использует мел­ кую фарфоровую и стеклянную дробь (диаметром 50—200 мкм).

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СТАЛЬНЫХ

ИЧУГУННЫ Х ВАЛОВ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ

Решающим фактором, определяющим долговечность работы мощ­ ных кривошипных прессов и аллигаторных ножниц, является сопротивление усталости их коленчатых валов. В связи с этим в ЦНИИТМАШе исследовали сопротивление усталости крупных стальных и чугунных валов, а также возможности его повышения в результате упрочняющего наклепа.

Для испытания на усталость был изготовлен образец вала, близкий по форме и размерам к валу пресса К-372Г (диаметр шейки 175 мм и радиус галтели 9 мм). Образцы изготовляли из поковок нормализованной стали 45 и высокопрочного чугуна. Часть об­ разцов упрочняли поверхностным пластическим деформирова­ нием металла в зонах галтелей, другие испытывали в неупрочненном состоянии.

Литые коленчатые валы, изготовленные Экспериментальным научно-исследовательским институтом кузнечно-прессового маши­ ностроения (ЭНИКМАШ), после термической обработки имели ферритную или перлитную структуру.

Отливки валов на ферритную структуру обрабатывали по ре­ жиму: нагрев до температуры 920—950 °С, выдержка 3—4 ч, охлаждение с печью до 720—740 °С, выдержка 6—7 ч, охлажде­ ние с печью до 650—670 °С, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Для получения перлитной структуры, содержащей до 20% феррита, был выбран следующий режим: нагрев до ^температуры 920—950 °С, выдержка 3—4 ч, охлаждение с печью до 720—740 °С, выдержка 2—3 ч, охлаждение с печью до 600—660 °С, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Микроструктура ферритного чугуна была характерной для высокопрочного чугуна этого вида — сфероиды графита в ней равномерно распределены в металлической матрице.

Перлитный чугун имел микроструктуру, характерную для высокопрочного чугуна с преобладающей перлитной основой.

Рис. 35. Схема упрочняющего устройства

Для наклепа галтелей валов обычно применяют обкатывание роликами или шариками, чеканку ударным инструментом, обра­ ботку вибрирующим роликом и др. Все известные приспособле­ ния, применяемые для этих целей, рассчитаны на применение их на станках, где упрочняемые валы вращаются, а приспособление неподвижно.

Для особо крупных валов или в ремонтных условиях упрочне­ ние наклепом галтелей валов указанным станочным методом может быть затруднено. Для этого предназначено предложенное И. В. Кудрявцевым и Н. А. Лопатинским устройство, позволяю­ щее упрочнять галтели на неподвижных валах вне станка.

Устройство (рис. 35) имеет разъемную стальную муфту, уста­ навливаемую на обрабатываемую шейку вала с допусками по диаметру, соответствующими ходовой посадке. Две половинки муфты скреплены болтами. К одной из половинок муфты приварен кронштейн, к которому шарнирно присоединен хомут, несущий корпус пневматического молотка, расположенный под углом 45° к оси обрабатываемой шейки. Боек молотка имеет сферическую форму с радиусом, равным или близким к радиусу обрабатывае­ мой галтели, и соприкасается с ней, проходя через отверстие в муфте.

Разъемная муфта вместе с укрепленным на ней пневматиче­ ским молотком приводится в медленное вращение вручную или от электродвигателя через редуктор и клиноременную передачу. При этом гибкий шланг, снабжающий инструмент воздухом, на­ матывается на вал сначала в одном, а затем в обратном направ­ лении.

Во время вращения муфты боек пневматического молотка на­ носит частые последовательные удары по галтели вала. От этих ударов в зоне галтели остается след в виде заметной дорожки.

Скорость вращения муфты и частоту ударов бойка выбирают с та­ ким расчетом, чтобы получить достаточно чистую поверхность галтели. Электродвигатель с редуктором помещают либо на обрабатываемом валу, либо на подставке, поддерживающей вал. Пневматический молоток КЕ-19 имеет энергию удара 21 Дж при давлении*воздуха в магистрали 0,45—50 МПа и частоте ударов 1500 в минуту. Радиус сферического бойка молотка 9 мм. Частота вращения муфты 1 об/мин. Упрочнение выполняли за три полных оборота муфты.

Валы испытывали на усталость на машине УП-200 конструк­ ции ЦНИИТМАШа при изгибе в одной плоскости по симметрич­

ному циклу. Всего было испытано на усталость шесть коленчатых валов, три из которых стальные, два из ферритного и один из перлитного высокопрочного чугуна. Валы устанавливали в ма­ шину таким образом, чтобы изгибающий момент действовал в пло­ скости колена. Образцы коленчатых валов считали разрушенными, если усталостная трещина в них развивалась настолько, что видна была невооруженным глазом. После появления трещины колен­ чатый вал доводили до разрушения при форсированных режимах нагружения.

Результаты испытаний коленчатых валов на усталость приве­ дены в табл. 46. У всех валов, кроме одного, усталостные тре­ щины появлялись в галтелях сопряжения шатунной шейки и щеки. Вал В4 из ферритного высокопрочного чугуна с упрочнен­ ными чеканкой галтелями разрушился по средней части шейки, т. е. по неупрочненному месту.

Малое число испытанных валов не позволило построить пол­ ные кривые усталости. Однако данные испытаний позволяют сде­ лать вполне определенный вывод о том, что упрочнение галтелей чеканкой повышает несущую способность как стальных, так и чугунных валов больше чем в 2 раза.

Те же данные показывают, что сопротивление усталости ко­ ленчатых валов из ферритного и перлитного высокопрочного чугуна не ниже, чем валов из стали 45. Эти выводы согласуются с результатами исследований усталости малых коленчатых валов из аналогичных материалов.

По данным Воронежского завода кузнечно-прессового обору­ дования им. М. И. Калинина (ВЗКПО) и Азовского завода куз­ нечно-прессовых автоматов, трудоемкость механической обра­ ботки литых чугунных коленчатых валов на 60—80% ниже сталь­ ных кованых.

Конструкции образцов. Исследования были проведены авторами, в ЦНИИТМАШе в связи с проектированием и строительством мощных гидравлических прессов усилием 750 МН. Вертикальные пластинчатые стойки соединяют с ригелями рамы пресса при помощи опорных цилиндрических валиков.

Особенности конструкции и характер нагружения рамы выз­ вали необходимость обратить особое внимание на сопротивление металла стоек и ригелей усталостным разрушениям в зонах их контакта с цилиндрическими опорами и определить эффектив­ ность упрочнения пластин в указанных зонах поверхностным

Для обкатки отверстий под валики и свободных канавок об­ разцов толщиной 200 мм принят следующий режим (назван в даль­ нейшем режим № 1).

Натяг, т. е. превышение размера диаметра оправки по шарикам над диаметром отверстия, составлял 0,25—0,30 мм, частота вра­ щения шпинделя станка 100 об/мин, подача 0,15 мм/об. Наклеп выполняли закаленными шариками диаметром 11 мм. При таком режиме обработки образцов поверхностная твердость металла пластин повышалась на 44% (с HV 145 до HV 210), глубина на­ клепа равнялась 3—4 мм. При упрочнении образцов с канавками одновременно обкатывали два образца, скрепленные друг с другом.

Аналогичное по конструкции приспособление (меньших раз­ меров) было применено для обкатки отверстий под валики и ка­ навки для пластин сечением 50x75 мм. Режим наклепа был следующий: натяг 0,18 мм, частота вращения шпинделя свер­

с HV 130 до HV 215, т. е. на 65%. Глубина наклепанного слоя составляла и в этом случае около 4 мм. Такой режим обкатки не обеспечил достаточного повышения предела выносливости об­ разцов (сечением 50x75 мм) с валиками и канавками.

Всвязи с этим был применен другой режим обкатки (режим

№3): число проходов при обкатке — 2; при первом проходе натяг был равен 0,18 мм, при втором проходе 0,28 мм.

Испытания на усталость пластин с канавками и пластин, за­ щемленных между валиками, выполняли на машинах УП-50 и УП-200, осуществляющих изгиб в одной плоскости по симметрич­ ному циклу.

Зоны защемления пластин (канавки которых были наклепаны шариками) в захватах машины подвергали поверхностному накле­ пу методом чеканки ударным устройством на глубину 4 мм. Ука­ занный метод устранял изломы образцов в зонах контакта.

Для пластин сечением 200x300 мм с защемленными концами контактное давление составляло: постоянное (от затяжки захва­ тов) 100 МПа; переменное (от изгибающего момента) около 22 МПа. Для пластин сечением 50x75 мм контактное давление составляло соответственно 400 и « 1 0 МПа. Постоянное контактное давление определяли измерением деформаций упругих элементов захватов тензометрами Гугенбергера.

Переменное давление рассчитано по изгибающим напряжениям в образце, равным 60 МПа.

Особенности подсчета напряжений при испытаниях на уста­ лость пластин, зажатых между валиками. Опорные валики плотно входят в соответствующие выточки пластин и прижаты к этим вьпочкам опорными прокладками. В связи с этим было бы не­ правильно при определении изгибающих напряжений в пластинах

принимать во внимание толь­ ко их высоту в сечении нетто (150 или 37,5 мм).

Опорный валик, находя­ щийся в определенный мо­ мент в зоне сжатых волокон изгибаемой пластины, будет препятствовать сжатию вы­ точки на пластине. Опорный валик, находящийся в тот же момент с противоположной стороны изгибаемой пласти­ ны, т. е. в зоне растягива­ емых волокон, не будет пре­ пятствовать деформации вы­ точки при изгибе пластин. Таким образом, при опреде­

лении нормальных напряжений в поперечном сечении изгиба­ емой пластины следует исходить из полной высоты сечения пластины за вычетом высоты только одной выточки (т. е. в нашем случае 175 или 43,75 мм).

При изменении знака изгибающего момента нейтральная линия пластины будет перемещаться в сторону сжимаемых волокон (рис. 39).

Вследствие указанных причин осевые напряжения в изгибае­ мой пластине в зоне дна выточек будут не только понижены (по сравнению с напряжениями, подсчитанными по сечению нетто), но будут меняться по несимметричному циклу при симметричном изменении изгибающего момента.

При этом растягивающие напряжения ( +crmax) будут больше, чем сжимающие (—сгт1п). Коэффициент асимметрии цикла, опре­ деляемый из отношения

__ ffmln

Р<Ттах ’

для рассматриваемого случая будет

Для сравнения результатов испытаний на усталость пластин при симметричном и несимметричном циклах можно использо­

вать величины так называемых приведенных напряжений (а"?).

но