ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ДРОБЕМЕТНОЙ И ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ

 

Блурцян Р.Ш., Блурцян Д.Р. Блурцян И.Р.

(МИ ВлГУ, г. Муром. Владимирская обл., РФ)

 

Research results of residual stresses in the torsion shafts working surfaces are given. Residual stresses influence on cyclic durability of  torsion shaft is investigated.

 

Технологические остаточные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при обработке, являются одним из факторов, влияющих на усталостную прочность торсионных валов.

В соответствии с технологией обработки торсионных валов основные рабочие поверхности (стержень и галтели) после токарной и термической обработки подвергаются операциям предварительного и окончательного шлифования, а затем производится обкатывание.

Под воздействием высоких температур в зоне шлифования в поверхностных слоях формируются, преимущественно, растягивающие остаточные напряжения.

При исследовании  тангенциальных технологических  остаточных напряжений в поверхностных слоях по методике академика Н.Н. Давиденкова определяли полное (суммарное) напряжение первого рода в виде суммы трех составляющих:

                                          s = s1 + s2 + s3,

где    s1  - напряжение, удаляемое при резке кольца;

s2 - напряжение, удаляемое одновременно со снимаемым слоем металла; s3 - учитывает напряжения, действующие в ранее удаленных слоях.

Образцы-кольца диаметром 52 мм вырезались из стержня торсионного вала, ширина колец - 6 мм, толщина - 2,5 мм.

Осевые остаточные напряжения оценивались по величине  составляющей s2, обусловленной снятием напряжений с поверхности образца при последовательном удалении слоев с исследуемой поверхности. Для исследования осевых остаточных напряжений из соответствующих участков стрежня торсионного вала вырезались образцы-полоски.

Вырезка образцов для исследования остаточных напряжений производилась на электроэрозионных станках при умеренных режимах обработки.

Установлено, что в поверхностных слоях торсионных валов после закалки и отпуска формируются сжимающие остаточные напряжения. Величина этих напряжений на глубине 0,1 мм колеблется в пределах -230…-360 МПа и более. После выполнения операций предварительного шлифования картина напряженного состояния, имеющая место после операций термообработки меняется, возникают растягивающие напряжения, достигающие 100…400 МПа. После окончательного шлифования и последующего обкатывания стержня и галтелей торсионного вала создаются в поверхностном слое сжимающие напряжения. Однако технологический процесс не всегда обеспечивает на всех участках поверхностей стержня и галтелей вала отсутствие растягивающих напряжений, наличие которых отрицательно сказывается на усталостной прочности валов.

За основу нового технологического процесса изготовления торсионных валов без операций шлифования положена замена этих операций процессами дробеструйной или дробеметной обработки. При этом за счет исключения операций шлифования и введения в технологический процесс дробеструйной или дробеметной обработки с последующим обкатыванием обеспечиваются все технические требования, предъявляемые к торсионным валам.

Для исследования осевых остаточных напряжений использовали образцы-пластинки размерами 40 х 6 х 2, вырезанные из закаленных торсионных валов. Обработка валов осуществлялась на дробеструйной установке базового завода. Закономерности формирования осевых напряжений в зависимости от времени дробеструйного упрочнения, представлены на рис. 1. Как видно, при дробеструйном упрочнении в поверхностном слое глубиной до 0,15 мм формируются сжимающие напряжения величиной  -175...-260 МПа. С увеличением продолжительности упрочнения сжимающие напряжения растут.

Рисунок 1 - Распределение  осевых  технологических остаточных напряжений s по глубине залегания поверхностных слоев h от времени дробеструйного упрочнения t при перпендикулярном направлении дроби: 1 - t =  1 мин; 2 - t =  4 мин; 3 - t = 8 мин.

Рисунок 2 - Распределение  тангенциальных  технологических остаточных напряжений по глубине залегания поверхностных слоев при различных методах обработки стержня и галтелей торсионного вала: 1 - чистовое шлифование; 2 - базовая технология (чистовое шлифование, обкатывание); 3, 4, 5 - чистовое шлифование, дробеструйное упрочнение, обкатывание.

 

В зависимости от технологического маршрута обработки поверхностей стержня и галтелей в сочетании с обработкой дробью картина распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях меняется. На рис. 2 показано распределение тангенциальных остаточных напряжений по глубине залегания исследуемого слоя от поверхности для различных методов обработки поверхности стержня. Как видно, при чистовом шлифовании в поверхностном слое металла глубиной до h = 0,02 мм действуют большие растягивающие напряжения  (при h = 0,0035 мм, s = 340 МПа). Последующее обкатывание стержня обеспечивает формирование в поверхностном слое глубиной более h = 0,003 мм сжимающих напряжений. Дробеструйное упрочнение поверхностного слоя валов значительно повышает уровень сжимающих остаточных напряжений. Так, на глубине  h = 0,02 мм s = -550…-600 МПа.

Исследование технологических остаточных напряжений различных участков стержня торсионного вала, подвергнутого дробеструйной обработке, показало, что как осевые, так и тангенциальные остаточные напряжения являются напряжениями сжатия и достигают -200...-300 МПа и более.

Исследовано также влияние операций дробеметного упрочнения на формирование тангенциальных остаточных напряжений.

Дробеметному упрочнению подвергались торсионные валы, прошедшие механическую и термическую обработку. Обработка дробью торсионных валов проводилась в дробеметной камере типа 42816 базового завода. В качестве дроби использовали дробь чугунную (ДЧК) размером 1...3 мм.

Торсионные валы были обработаны по следующей технологии: точение; термообработка, дробеметное упрочнение, обкатка. При изготовлении валов были выдержаны все геометрические параметры точности и расположения отдельных поверхностей   торсионного вала. Шероховатость поверхностей стержня и галтелей на токарной операции была обеспечена в пределах  Rz = 10... 15 мкм.

С целью исследования влияния режимов операций дробеметного упрочнения и последующего обкатывания на технологические остаточные напряжения был изготовлен вал, отдельные участки стержня которого были обработаны дробью в течение различных промежутков времени.

Результаты исследований технологических остаточных напряжений в поверхностном слое при различном времени дробеметной обработки стержня торсионного вала представлены на рис. 3. Как видно при всех режимах дробеметного упрочнения в поверхностном слое формируются сжимающие напряжения. При этом напряжения на глубине   h = 0,05 мм при времени дробеметного  упрочнения t =5 мин составляют -420 МПа и увеличиваются до -485 МПа при t =  20 мин.

На рис. 4 даны результаты исследования технологических остаточных напряжений торсионного вала, подвергнутого дробеметному упрочнению, обкатыванию и прошедшего стендовые испытания  (520000 циклов-закруток без разрушения вала).  Как видно из рисунка,  в поверхностном слое вала сформированы сжимающие тангенциальные остаточные напряжения, величина которых колеблется в пределах -100...-300 МПа.

Исследованием картин распределения тангенциальных остаточных напряжений рабочих поверхностей торсионных валов после стендовых испытаний установлено, что с увеличением величины остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях растет усталостная прочность вала. Так, для вала, обработанного по новой технологии (операция шлифования заменена на операцию дробеметного упрочнения) и выдержавшего без разрушения 970000 циклов-закруток, величина сжимающих тангенциальных технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях стержня на глубине 0,1 мм колеблется в пределах -270...-420 МПа.

Рисунок 3 - Изменения тангенциальных технологических остаточных напряжений s в зависимости от глубины залегания слоя и времени дробеметной обработки t стержня торсионного вала: 1 - t = 5 мин;    2 - t = 10 мин; 3 - t = 15 мин;  4 - t = 20 мин.

Рисунок 4 - Изменение тангенциальных технологических остаточных напряжений s по глубине поверхностных слоев h стержня торсионного вала, подвергнутого дробеметному упрочнению и обкатыванию: 1  - образец 3;    2 - образец 6; 3 - образец 2;     4 - образец 4; 5 - образец 8

 

На основании выполненных исследований по совершенствованию технологии изготовления торсионных валов, обработанных с заменой операций шлифования галтелей R100 и стержня Æ52 мм операцией упрочнения дробью, можно сделать следующие выводы:

- для обеспечения формирования сжимающих остаточных напряжений на всей поверхности стержня и галтелей необходимо исключить из технологического процесса изготовления торсионного вала шлифовальные операции;

- изготовление поверхностей стержня и галтелей торсионных валов по маршруту: «точение - термообработка - упрочнение дробью - обкатка» обеспечивает за счет формирования сжимающих остаточных напряжений, а также исключения дефектов шлифования существенное увеличение усталостной прочности валов при циклических нагрузках.