Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 3, стр. 72-78

В народном хозяйстве широко используются машины и механизмы в которых работают пары трения (штоки, поршни, пробки, седла, золотники, пальцы, валки для размалывания неметаллических материалов). Это детали двигателей, насосов, прядильных машин, культиваторов и др., которые применяют в авиационной, строительной, автомобильной технике, сельхозтехнике и др. Из-за их низкой эксплуатационной надежности велик расход запасных частей. По данным центральных заводских лабораторий ОАО “КАДВИ”, ОАО “РемПутьМаш”, ОАО “Пермские моторы”, ОАО “Калужский турбинный завод” и др. при проведении плановых ремонтных работ 80% деталей имели повышенный износ. Установлено, что наибольшее число отказов (до 80%) обусловлено процессами изнашивания или комплексными причинами, где износ играет доминирующую роль.

Одной из основных особенностей работы цилиндрических пар трения является неравномерность изнашивания вдоль образующей, повышенный износ, вызванный условиями трения: импульсным приложением нагрузки, многократным перемещением контактирующих поверхностей, что приводит к пластическим деформациям, макрорезанию и в конечном итоге к потере работоспособности.

Эксплуатационные показатели определяются параметрами поверхностных слоев деталей: характеристиками точности формы; волнистостью; твердостью; остаточными напряжениями.

Они формируются под влиянием технологических факторов – режимов и методов обработки, инструмента, способов отделочно-упрочняющей обработки и влияния фактора наследственности.

Уровень остаточных напряжений является важным параметром, определяющим качество изделий, который может играть как положительную, так и отрицательную роль в изменении прочности, жесткости, устойчивости и износостойкости изделий, определяя тем самым их работоспособность при эксплуатации в различных видах и условиях нагружения [1–8].

Значительные остаточные напряжения могут возникать после механической обработки – точения, фрезерования, шлифования. Особенность этих напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностном слое глубиной в несколько десятых миллиметра. Но как показывает опыт эксплуатации, именно эти напряжения могут влиять на износостойкость и прочность детали, особенно при действии переменных напряжений [1–7].

Например, в поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения, которые превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхностного слоя со стороны внутренних слоев, т.е. к образованию в нем растягивающих остаточных напряжений. На основании ряда экспериментальных исследований [5–7] можно считать, что после шлифования в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения 40–80 кГ/мм², на глубине 20–50 мкм.

Технологические остаточные напряжения обуславливают качество и эксплуатационные характеристики металлопродукции [1, 3–5]. Существующие методики определения остаточных напряжений носят в основном экспериментальный характер, не обладают универсальностью, применение их зачастую затруднено и приводит к значительным погрешностям [6, 7].

В настоящей статье исследованы напряжения I рода, т.к. именно они являются наиболее значимыми с точки зрения практического применения.

В исследование влияния остаточных напряжений на работоспособность деталей машин и механизмов внесли вклад Биргер И.А., Давиденков Н.Н., Кобрин М.М., Колмогоров Л.Г., Поздеев А.А., Суслов А.Г., Чепа П.А. и др.

В поверхностном слое металла всегда имеются различные дефекты, которые служат зародышами трещин, поэтому надежность деталей определяется величиной работы распространения трещины. Сжимающие остаточные напряжения, создаваемые на поверхностях деталей различными технологическими методами, препятствуют зарождению и распространению усталостных микротрещин, увеличивая их работу. Поэтому для деталей, работающих в условиях трения скольжения, в случаях реализации усталостного и абразивного износа в процессе эксплуатации, важно создать поверхностный слой с сжимающими остаточными напряжениями [7, 8]. Перспективными методами являются методы комбинированной обработки.

Сущность комбинированной обработки заключается в последовательном выполнении электромеханической обработки (ЭМО) и алмазном выглаживании. С помощью этой технологии представляется возможным осуществить технологическое управление как геометрическими характеристиками, так и физико-механическими свойствами рабочих поверхностей пар трения [9–11].

Положительной особенностью комбинированной обработки является то, что величина и характер остаточных напряжений, полученных на предшествующих операциях, не влияют на формирование напряжений и является барьером при технологической наследственности [12–17].

Экспериментальное определение остаточных напряжений трудоемко и не всегда возможно получить истинное значение. Поэтому актуальной задачей является нахождение аналитических методов, которые могут подтвердить или опровергнуть результат, полученный экспериментально.

На формирование остаточных напряжений при комбинированной обработке влияют температура, силовой фактор, характер структурных и фазовых превращений.

Фактически остаточные напряжения представляют собой алгебраическую сумму температурных, силовых и структурных напряжений [8, 17]

где σ_темп – температурные остаточные напряжения; σ_ф – структурно-фазовые остаточные напряжения; σ_мех – механические остаточные напряжения.

Температурные остаточные напряжения возникают в результате нагрева и последующего охлаждения обрабатываемой поверхности. Внешний слой металла нагреваясь в процессе комбинированной обработки стремится удлиниться, однако этому препятствует более холодный внутренний слой, следовательно, первый подвергается сжатию, а второй – растяжению. При интенсивном нагреве, когда сила тока превышает значение I = 500 А напряжения на поверхности превзойдут предел текучести, что вызовет пластическую деформацию сжатия наружного слоя металла. Во время последующего охлаждения внешний слой стремится сжаться до размеров, меньше первоначальных на величину пластической деформации сжатия. Этому будет препятствовать упругонапряжный внутренний слой. В результате во внешнем слое возникнут остаточные напряжения, которые можно определить, преобразуя формулу [8, 17]

где z – текущая координата, определяющая глубину упрочненного поверхностного слоя, м; α – коэффициент линейного расширения материала детали, K^–1; ∆Θ(z) – максимальная температура на глубине поверхностного слоя детали z.

Максимальную температуру в зоне упрочнения можно представить

Большое влияние на формирование температуры будет оказывать мощность, которая возникает при прохождении электрического тока при электромеханической обработке. Ее можно представить, как

Формула (2) является сложной для расчетов и можно воспользоваться вариантом для приблизительных расчетов

Сократим формулу

Т.к. величина $z\left[ {1 - ercf\left( {\frac{z}{{2\sqrt {at} }}} \right)} \right]$ является бесконечно малой и не оказывает существенного влияния на значение температуры на поверхности при комбинированной обработке.

В формуле (3): z – текущая координата, м; α_т – коэффициент распределения тепловых потоков (коэффициент теплопоглощения Шарона); P_g – приведенная сила давления инструмента при комбинированной обработке, Н; V_p – скорость вращения детали, м/с; I – сила тока, А; U – напряжение, В; λ₁, λ₂ – теплопроводимость материала детали и инструмента соответственно, Вт м^–1 К^–1; A = l_инсB; B – ширина упругого контакта ролика по Герцу; l_инс – длина касания инструмента с обрабатываемой поверхностью (ширина ролика-электрода), м; а – температуропроводимость материала детали, м²/с; t – время контакта, с.

При комбинированной обработке В – ширину упругого контакта ролика по Герцу, можно условно считать равной ширине ролика-электрода. Поэтому,

Рассчитать значение интеграла дополнительной функции ошибок можно по формуле

Однако, эта величина не оказывает существенного влияния на температуру в зоне контакта при комбинированной обработке.

Коэффициент распределения тепловых потоков α_T можно найти по формуле [17]

где λ₁, λ₂ – теплопроводность материала детали и инструмента соответственно, Вт м^–1 К^–1; ρ₁, ρ₂ – плотность материала детали и инструмента соответственно, м³; с₁, с₂ – удельная теплоемкость материала детали и инструмента соответственно, Дж кг^–1 К^–1.

Структурно-фазовые остаточные напряжения σ_ф определим по формуле [17]

где E – модуль упругости материала, Па; ρ₁ и ρ₂ – плотность материала до и после обработки соответственно.

Формула (5) показывает, если вновь образовавшаяся фаза имеет большой объем и, следовательно, меньшую плотность ρ₂ по сравнению с ρ₁, на обработанной поверхности возникают остаточные напряжения сжатия. В противном случае возникают остаточные напряжения растяжения.

Если неизвестна плотность материала после обработки, то для расчета остаточных напряжений, при структурных изменениях (остаточный аустенит переходит в мартенсит) в поверхностном слое после комбинированной обработки воспользуемся формулой

где E – модуль упругости материала, Па; μ – коэффициент Пуассона; P_1α – относительное содержание α-фазы в поверхностном слое детали до обработки, %; P_2α – относительное содержание α-фазы в поверхностном слое детали после обработки, %; ρ_γ и ρ_α – плотность γ- и α-фаз соответственно.

Для простоты вычислений будем использовать формулу (5).

Механические остаточные напряжения возникают за счет действия на материал детали усилия со стороны инструмента при ЭМО и при алмазном выглаживании. В результате сжатия в поверхностном слое детали происходит упругопластическая деформация, которая приводит к увеличению плотности дислокаций и отдельного объема деформируемого слоя. Этому препятствуют слои, лежащие ниже. В результате такого взаимодействия в поверхностном слое возникают остаточные напряжения

где z – текущая координата, м; P_g – приведенная сила давления, Н; P_i – сила прижима электрода-инструмента и алмазного выглаживателя, Н; l_инс – длина касания инструмента с обрабатываемой поверхностью (ширина ролика-электрода), м.

Ввиду того, что площадь касания алмазного выглаживателя и детали значительно меньше касания электрода-инструмента и детали, все расчеты ведем по большему значению.

Возникновение структурно-фазовых остаточных напряжений в поверхностном слое детали обусловлено структурно-фазовыми превращениями материала [8, 17]. В результате пластического деформирования резко увеличивается внутренняя энергия материала (около 10% затрачиваемой на деформацию энергии поглощается деформируемым материалом), что увеличивает вероятность протекания фазовых превращений.

В коррозионностойких аустенитных сталях, из которых изготавливают цилиндрические пары трения, при охлаждении или холодной пластической деформации происходит образование α-фазы мартенситного типа. Количество образующегося мартенсита при данной температуре возрастает с увеличением степени деформации, а при увеличении температуры (т.е. при отдалении от точки мартенситного превращения M_H) интенсивность мартенситного превращения снижается [7, 8, 12–17]. Существует температура (точка М_Д) выше которой образование мартенсита деформации в аустенитных сталях невозможно даже при очень больших деформациях.

Таким образом, пластическая деформация интенсифицирует мартенситное превращение в коррозионностойких аустенитных сталях.

Подставляя (5), (6) и (7) в (1) получим формулу для расчета остаточных напряжений возникающих в поверхностном слое детали после комбинированной обработки

Для удобства расчетов разработана компьютерная программа для вычисления параметра остаточных напряжения по формуле (8) на языке Visual studio 2017 C#. Все данные заносятся в таблицу и на выходе получаем значение и знак остаточных напряжений в зависимости от режимов комбинированной обработки (рис. 1).

Таким образом, метод комбинированной обработки создает резерв для повышения эксплуатационных показателей за счет создания сжимающих остаточных напряжений (значения получаются со знаком “–” (рис. 1)).