Исследование усталостной прочности

Усталостная прочность деталей машин - это их способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок.

Предел выносливости деталей машин в основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя.

Неровности, образующиеся на поверхности детали при их обработке, являются концентраторами напряжений и служат одной из причин снижения предела выносливости.

Влияние параметров шероховатости поверхности детали учитываются с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений, который может быть представлен в виде:

где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %,

Sm - cредний шаг неровностей,

Rmax - максимальная высота профиля,

Rр - высота сглаживания (расстояние от средней линии до линии выступов).

Из приведенного уравнения видно, что сопротивление усталости деталей машин в основном зависит от величины и знака поверхностных остаточных напряжений и степени наклёпа, глубины их залегания и закона распределения, максимальной высоты неровностей шероховатости и глубины их сглаживания, среднего шага неровностей профиля шероховатости и относительной опорной длины профиля на уровне средней линии.

Экспериментальные исследования сопротивления усталости, проведенные на образцах из стали 30ХГСА (НRС 35-37), показали, что предел выносливости образцов при уменьшении их шероховатости с Rа =0,74мкм до Rа =0,22мкм в среднем увеличивается на 14%, а срок службы более чем в 3 раза.

Повышение предела выносливости и увеличение долговечности деталей при комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработке можно объяснить совместным действием следующих факторов.

В результате поверхностного пластического деформирования увеличиваются радиусы впадин и гребешков поверхности, поэтому концентрация напряжений, пропорциональная кривизне элементов микрорельефа, снижается, что замедляет развитие усталостных трещин.

Таким образом, исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение в качестве окончательной обработки совместное точение и ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.

Возможности метода лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей вращения в обеспечении указанных параметров состояния поверхностного слоя представлены в табл. 1.

Для сравнения приведены возможности алмазно-абразивной обработки. Анализ указанных в таблице значений параметров обработки поверхностей вращения свидетельствует о том, что методы поверхностно-пластического деформирования обладают достаточно хорошими возможностями в обеспечении наименьших значений параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax.

Таблица 1 - Возможности методов обработки поверхностей вращения в обеспечении качества обработанной поверхности

ВЫВОДЫ

Применение поверхностного пластического деформирования с предшествующей лезвийной обработкой позволяет обеспечить повышение износостойкости исходной поверхности как наружных, так и внутренних поверхностей вращения в 2-5 раз.

Исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение в качестве окончательной обработки совместное точение и ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.

В результате проведенных исследований на основании разработанной методики анализа возможностей методов обработки точением и обкатыванием по обеспечению износостойкости, прочности и герметичности деталей типа «тела вращения» количественно обоснована возможность существенного повышения эксплуатационных свойств деталей машин за счет применения методов комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки.

Технология

Процессы упрочняющей обработки непрерывно развиваются в качестве метода финишной обработки поверхностей деталей машин.

Обработка методами поверхностного пластического деформирования (ППД) состоит в силовом контактном воздействии деформирующего инструмента на поверхность заготовки в условиях их относительного движения.

ППД осуществляется без снятия стружки путем деформирования микронеровностей.

В результате происходит значительное снижение шероховатости, упрочнение поверхностного слоя, в нем возникают остаточные напряжения сжатия.

При этом происходит интенсивное выглаживание поверхностных неровностей заготовки, сопровождающееся значительным упрочнением поверхностных слоев (повышением микротвердости и созданием благоприятных сжимающих напряжений)

исключается шаржирование обработанной поверхности абразивными и другими частицами; становится возможным образование частично и полностью регулярных микрорельефов

Эти достоинства в сочетании с высокой производительностью, на­дежностью и простотой осуществления предопределяют широкое и непрерывно расширяющееся применение различных способов финишной обработки давлением практически во всех отраслях промышленности с высокими технико-экономическими показателями.

Фотография поверхности до (участок слева) и после (участок справа) обработки ППД без применения СОТС