Исследование усталостной прочности торсионных валов, обработанных без операций шлифования

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ БЕЗ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ

Блурцян Р.Ш., Залазинский М.Г., Блурцян Д.Р., Селихов Г.Ф., Блурцян И.Р.

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

It has been proved experimentally that torsion shaft production replacing grinding operations with grit blasting ones leads to mechanical fatigue shaft increase.

В соответствии с базовой технологией изготовления торсионных валов поверхности стержня Æ52 и галтелей R 100 обрабатываются на операциях предварительного и окончательного шлифования. На этих поверхностях после операций шлифования установлены структурные изменения и растягивающие остаточные напряжения, что ведет к ухудшению качества поверхностей, и способствует уменьшению усталостной прочности торсионных валов.

Исследованиями установлено, что при термической обработке заготовок торсионных валов в поверхностных слоях стержня Æ52 и галтелей R 100 формируются сжимающие напряжения (-200…-700 МПа). Сжимающие напряжения в рабочих поверхностях валов формируются также от операций дробеструйного упрочнения.

Целью исследований было установление параметров качества рабочих поверхностей и усталостной прочности торсионных валов, изготовленных без операций шлифования. Для исследований были взяты заготовки торсионных валов после термической обработки, с диаметром стержня вала, равным Æ54 мм. Из этих валов были составлены две партии. Первая партия была обработана по технологии: дробеструйная обработка большой и малой головки вала и галтелей в течение 5 мин.; накатка шлиц; первое заневоливание; обкатывание стержня Æ54; второе заневоливание. Вал – представитель этой партии имел номер 2064. Вторая партия была обработана по следующей технологии: дробеструйная обработка большой и малой головки вала, поверхности стержня и галтелей – 5 мин; накатка шлиц; первое заневоливание; обкатывание стержня и галтелей вала; второе заневоливание. Вал – представитель этой партии имел номер 2048.

Результаты стендовых испытаний торсионных валов показали, что валы второй партии выдержали более 450000 циклов-закруток, что в 3 раза превышает требования технических условий, не разрушились и были сняты с испытаний ввиду загруженности стенда для циклических испытаний других торсионных валов.

Для исследования параметров качества рабочих поверхностей из валов №№ 2048 и 2064 были изготовлены образцы, схема вырезки которых представлена на рис. 1

Маркировка образцов следующая: XXIII – 2, XXIII – 4, XXIII – 6 (вал № 2048) и XXIV – 2, XXIV –4, XXIV – 6 (вал № 2064).

Рисунок 1 – Схема вырезки образцов

I – XXIII-2; 2 - XXIII-4; 3 - XXIII-6; 4 - XXIV-2; 5 - XXIV-4; 6 - XXIV-6; XXIII – стержень Æ52 подвергнут дробеструйному упрочнению и обкатыванию; XXIV – стержень Æ52 после термообработки, подвергнут обкатыванию.

Рисунок 2 – Распределение тангенциальных технологических остаточных напряжений s по глубине поверхностных слоев h стержня торсионных валов, обработанных без операций шлифования и подвергнутых дробеструйному упрочнению

Исследования тангенциальных технологических остаточных напряжений проводили на образцах-кольцах Æ54. Результаты этих исследований представлены на рис. 2. Из них следует, что после 450000 циклов-закруток при усталостных испытаниях, при которых происходит релаксация внутренних напряжений, в рабочих поверхностях валов сформированы сжимающие напряжения, максимальная величина которых достигает – 600 МПа (кривая 5, образец XXIV - 4).

Рабочие поверхности образцов XXIV-2 и XXIV-6, не прошедшие дробеструйное упрочнение, имеют в поверхностных слоях сжимающие напряжения, величина которых достигает -150…-250 МПа на глубине 0,005….0,1 мм.

При дробеструйном упрочнении поверхности вала в течение 5 мин величина сжимающих напряжений возрастает до -400…-500 МПа на глубине 0,025 мм. Из рис. 2 следует, что по длине вала возможны колебания уровня технологических остаточных напряжений. Так, образец XXIV-4 на глубине 0,02 мм имеет s=-600 МПа, а образцы XXIV-2, XXIV-6 имеют s=-200…-250 МПа. Это можно объяснить неоднородностью технологических остаточных напряжений по длине вала и другими технологическими факторами.

В результате исследований установлено:

- торсионные валы, обработанные без шлифовальных операций, при обработке поверхностей стержня и галтелей с введением операций дробеструйного упрочнения стержня, галтелей и шлицевых головок, с последующим обкатыванием стержня и галтелей имеют более чем 3-х кратный запас усталостной прочности.