Помощь студентам в учебе
Повышение износостойкости поверхностей на основе управления остаточными напряжениями при обработке поверхностным пластическим деформированием
|
Введение 3
Глава 1 Технологическое обеспечение высокой надежности и долговечности деталей ответственного назначения 6
1.1 Анализ работы подшипников скольжения шейки коленчатого вала -
вкладыш 6
1.2 Общие сведения об остаточных напряжениях и их влияние на
сопротивление усталости 12
1.3 Анализ существующих методов повышения износостойкости
коленчатых валов 20
1.4. Анализ влияния технологических параметров обработки 11ПД на остаточные напряжения 25
1.5 Релаксация остаточных напряжений в деталях 29
Глава 2 Определение роли остаточных напряжений на сопротивление упругопластическим деформациям 34
2.1 Влияния остаточных напряжений на сопротивление упругопластическим
деформациям 34
2.2 Исследование повышения износостойкости деталей путем изменения
силы, приложенной к инструменту, в процессе 1П1Д 40
Глава 3 Экспериментальное исследование влияния остаточных напряжений на износостойкость 61
Заключение 66
Список используемой литературы 68
Глава 1 Технологическое обеспечение высокой надежности и долговечности деталей ответственного назначения 6
1.1 Анализ работы подшипников скольжения шейки коленчатого вала -
вкладыш 6
1.2 Общие сведения об остаточных напряжениях и их влияние на
сопротивление усталости 12
1.3 Анализ существующих методов повышения износостойкости
коленчатых валов 20
1.4. Анализ влияния технологических параметров обработки 11ПД на остаточные напряжения 25
1.5 Релаксация остаточных напряжений в деталях 29
Глава 2 Определение роли остаточных напряжений на сопротивление упругопластическим деформациям 34
2.1 Влияния остаточных напряжений на сопротивление упругопластическим
деформациям 34
2.2 Исследование повышения износостойкости деталей путем изменения
силы, приложенной к инструменту, в процессе 1П1Д 40
Глава 3 Экспериментальное исследование влияния остаточных напряжений на износостойкость 61
Заключение 66
Список используемой литературы 68
В настоящее время, важнейшим вопросом современного машиностроения является проблема повышения эксплуатационной надежности автотранспортных средств, зависящая от ограниченного числа высоконагруженных деталей ответственного назначения.
Коленчатый вал является одной из самых ответственных и конструктивно сложных деталей кривошипно-шатунного механизма, которые отвечают за работу двигателя и определяют его надежность и долговечность. При этом их долговечность составляет в среднем 80% от ресурса двигателей. Поэтому повышение эксплуатационной надежности и долговечности коленчатых валов в настоящее время является весьма актуальной задачей.
Анализ статистических данных показывает, что нарушение нормального функционирования двигателей внутреннего сгорания происходит наиболее часто вследствие отказа трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш». Отказ трибоузла происходит по причине изнашивания и деградации поверхностей трения, вследствие физических и химических процессов происходящих во время работы двигателя, а также из-за нарушения общих правил технической эксплуатации и нестабильной работы фильтров очистки масла.
Сложность решения данной проблемы состоит в том, что причины разрушения трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш» охватывают достаточно многие сферы исследования, такие как металловедение, триботехника, механика разрушения и др., что, в свою очередь, тормозит конкретизацию закономерностей и развития процессов изнашивания. Так, решение проблемы изнашивания возможно при установке причин и последствий отказов подшипников скольжения и методов их устранения.
Надежность и долговечность коленчатых валов зависят от качества их изготовления. А необходимые эксплуатационные свойства обеспечиваются за счет высокой точности, шероховатости рабочих поверхностей шатунных и коренных шеек, и прочности их поверхностного слоя. Качество поверхностного слоя формируется на протяжении всего технологического процесса изготовления коленчатого вала, но особое внимание уделяется финишным операциям.
В настоящее время промышленные предприятия имеют широкие возможности для производства деталей согласно техническим условиям. Так, для получения продукта с желаемыми характеристиками и свойствами, производства постоянно модифицируют параметры технологического процесса, при этом одной из главных целей модернизации технологического процесса является повышение эффективности производства, поскольку потеря хотя бы одной партии изделий приводит к снижению конкурентоспособности данного продукта. Именно эти факты и привели к разработке большого количества разнообразных методов финишной обработки таких как суперфиниширование, хонингование, шлифование, полирование и т.д.
Большинство вышеперечисленных методов позволяют увеличить эксплуатационные свойства изделий благодаря снижению шероховатости. На сегодняшний день выявлена роль шероховатости поверхностного слоя изделий в обеспечении износостойкости коленчатых валов, однако возможность повышения эксплуатационных характеристик за счет снижения шероховатости практически полностью исчерпана. В связи с чем возникает необходимость использовать для этих целей другой, но не менее важный показатель качества поверхностного слоя - остаточные напряжения, определяющие его физико-механические свойства.
Анализируя достаточное количество источников, становится понятно, что единое мнение о влиянии остаточных напряжений на износостойкость деталей отсутствует. Это можно объяснить тем, что при изучении влияния остаточных напряжений на величину износа в качестве их характеристики рассматривались либо максимальное значение остаточных напряжений, либо глубина их залегания, которые не дают полной информации об уровне остаточных напряжений. Кроме того, остаточные напряжения в основном оказывают влияние на износостойкость в случае, когда они сохраняются в изделиях длительное время и когда процесс изнашивания носит усталостный характер.
Таким образом, целью данной диссертации является повышение износостойкости коленчатых валов за счет управлениях напряженным состоянием на этапах их изготовления.
В качестве метода, позволяющего, помимо снижения шероховатости, преобразования структуры поверхностного слоя и повышения твердости, создать благоприятное напряженное состояние поверхностного слоя коленчатых валов был выбран метод поверхностного пластического деформирования. Такой выбор не случаен. Изучив литературные источники, был сделан вывод, что методы Ш1Д являются перспективными за счет низкой стоимости (технология может быть выполнена на токарном станке с дополнительным устройством), низкой трудоемкостью, а также отсутствием каких-либо промышленных отходов.
Коленчатый вал является одной из самых ответственных и конструктивно сложных деталей кривошипно-шатунного механизма, которые отвечают за работу двигателя и определяют его надежность и долговечность. При этом их долговечность составляет в среднем 80% от ресурса двигателей. Поэтому повышение эксплуатационной надежности и долговечности коленчатых валов в настоящее время является весьма актуальной задачей.
Анализ статистических данных показывает, что нарушение нормального функционирования двигателей внутреннего сгорания происходит наиболее часто вследствие отказа трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш». Отказ трибоузла происходит по причине изнашивания и деградации поверхностей трения, вследствие физических и химических процессов происходящих во время работы двигателя, а также из-за нарушения общих правил технической эксплуатации и нестабильной работы фильтров очистки масла.
Сложность решения данной проблемы состоит в том, что причины разрушения трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш» охватывают достаточно многие сферы исследования, такие как металловедение, триботехника, механика разрушения и др., что, в свою очередь, тормозит конкретизацию закономерностей и развития процессов изнашивания. Так, решение проблемы изнашивания возможно при установке причин и последствий отказов подшипников скольжения и методов их устранения.
Надежность и долговечность коленчатых валов зависят от качества их изготовления. А необходимые эксплуатационные свойства обеспечиваются за счет высокой точности, шероховатости рабочих поверхностей шатунных и коренных шеек, и прочности их поверхностного слоя. Качество поверхностного слоя формируется на протяжении всего технологического процесса изготовления коленчатого вала, но особое внимание уделяется финишным операциям.
В настоящее время промышленные предприятия имеют широкие возможности для производства деталей согласно техническим условиям. Так, для получения продукта с желаемыми характеристиками и свойствами, производства постоянно модифицируют параметры технологического процесса, при этом одной из главных целей модернизации технологического процесса является повышение эффективности производства, поскольку потеря хотя бы одной партии изделий приводит к снижению конкурентоспособности данного продукта. Именно эти факты и привели к разработке большого количества разнообразных методов финишной обработки таких как суперфиниширование, хонингование, шлифование, полирование и т.д.
Большинство вышеперечисленных методов позволяют увеличить эксплуатационные свойства изделий благодаря снижению шероховатости. На сегодняшний день выявлена роль шероховатости поверхностного слоя изделий в обеспечении износостойкости коленчатых валов, однако возможность повышения эксплуатационных характеристик за счет снижения шероховатости практически полностью исчерпана. В связи с чем возникает необходимость использовать для этих целей другой, но не менее важный показатель качества поверхностного слоя - остаточные напряжения, определяющие его физико-механические свойства.
Анализируя достаточное количество источников, становится понятно, что единое мнение о влиянии остаточных напряжений на износостойкость деталей отсутствует. Это можно объяснить тем, что при изучении влияния остаточных напряжений на величину износа в качестве их характеристики рассматривались либо максимальное значение остаточных напряжений, либо глубина их залегания, которые не дают полной информации об уровне остаточных напряжений. Кроме того, остаточные напряжения в основном оказывают влияние на износостойкость в случае, когда они сохраняются в изделиях длительное время и когда процесс изнашивания носит усталостный характер.
Таким образом, целью данной диссертации является повышение износостойкости коленчатых валов за счет управлениях напряженным состоянием на этапах их изготовления.
В качестве метода, позволяющего, помимо снижения шероховатости, преобразования структуры поверхностного слоя и повышения твердости, создать благоприятное напряженное состояние поверхностного слоя коленчатых валов был выбран метод поверхностного пластического деформирования. Такой выбор не случаен. Изучив литературные источники, был сделан вывод, что методы Ш1Д являются перспективными за счет низкой стоимости (технология может быть выполнена на токарном станке с дополнительным устройством), низкой трудоемкостью, а также отсутствием каких-либо промышленных отходов.
Общие выводы по работе:
- проведен обширный литературный обзор с целью освещения проблемы повышения износостойкости коленчатых валов. Установлены причины и последствия изнашивания деталей ответственного назначения. Выявлено влияние строения поверхностного слоя деталей на эксплуатационные характеристики;
- рассмотрены несколько методов обработки деталей поверхностным пластическим деформированием, при анализе которых было подтверждено, что на формирование определённых характеристик поверхностного слоя деталей ответственного назначения влияет правильно подобранный режим обработки;
- разработана методика, позволяющая спрогнозировать величину начальных и остаточных напряжений, возникающих в процессе и после обработки деталей методом отделочно-упрочняющего обкатывания;
- на основании разработанной методики получены аналитические зависимости для стали 40, стали 20 и 12Х18Н10Т для расчета силы, прикладываемой к инструменту, с целью обеспечения деталей необходимыми эксплуатационными характеристиками. Построены эпюры начальных напряжений, и для каждой стали аналитическим путем выбраны оптимальные параметры обработки, при которых достигаются остаточные напряжения необходимой величины;
- проведены исследования по определению остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндричесих образцов, с целью подтверждения адекватности и работоспособности разработанной методики. Проведено сравнение остаточных напряжений, полученных теоретическим и экспериментальным путем, которое показывает, что режим обкатывания с параметрами P = 900 H, Яш = 4 мм, S = 0,11 об/мин позволяет сформировать напряженное состояние в изделиях с наибольшей площадью эпюры остаточных напряжений;
- экспериментальным путем, с помощью испытаний на износ, подтверждена положительная роль формирования остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое образцов. При этом было выявлено, что образцы, в которых после обкатывания были сформированы остаточные напряжения с наибольше площадью эпюры оказывают наибольшее сопротивление изнашиванию.
- проведен обширный литературный обзор с целью освещения проблемы повышения износостойкости коленчатых валов. Установлены причины и последствия изнашивания деталей ответственного назначения. Выявлено влияние строения поверхностного слоя деталей на эксплуатационные характеристики;
- рассмотрены несколько методов обработки деталей поверхностным пластическим деформированием, при анализе которых было подтверждено, что на формирование определённых характеристик поверхностного слоя деталей ответственного назначения влияет правильно подобранный режим обработки;
- разработана методика, позволяющая спрогнозировать величину начальных и остаточных напряжений, возникающих в процессе и после обработки деталей методом отделочно-упрочняющего обкатывания;
- на основании разработанной методики получены аналитические зависимости для стали 40, стали 20 и 12Х18Н10Т для расчета силы, прикладываемой к инструменту, с целью обеспечения деталей необходимыми эксплуатационными характеристиками. Построены эпюры начальных напряжений, и для каждой стали аналитическим путем выбраны оптимальные параметры обработки, при которых достигаются остаточные напряжения необходимой величины;
- проведены исследования по определению остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндричесих образцов, с целью подтверждения адекватности и работоспособности разработанной методики. Проведено сравнение остаточных напряжений, полученных теоретическим и экспериментальным путем, которое показывает, что режим обкатывания с параметрами P = 900 H, Яш = 4 мм, S = 0,11 об/мин позволяет сформировать напряженное состояние в изделиях с наибольшей площадью эпюры остаточных напряжений;
- экспериментальным путем, с помощью испытаний на износ, подтверждена положительная роль формирования остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое образцов. При этом было выявлено, что образцы, в которых после обкатывания были сформированы остаточные напряжения с наибольше площадью эпюры оказывают наибольшее сопротивление изнашиванию.