Повышение долговечности восстановленных деталей машин на основе управления остаточными напряжениями

Основными причинами отказов машин являются износ (до 60 % отказов) и механические повреждения деталей (около 20 %). Большая часть (до 70 %) изнашивающихся деталей – это детали с сечением цилиндрической формы (валы, оси), работающие в условиях сопряжения. До 80 % изношенных деталей выбраковывается при износе до 0,6 мм, причем большинство из них – при износе до 0,3 мм [1, 2].

Долговечность высоконагруженных валов и осей по большей части определяется их сопротивлением усталости, так как они эксплуатируются в условиях динамических, повторных и знакопеременных нагрузок [3, 4]. Эксплуатационные свойства деталей – сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость и др. – зависят от качества поверхностного слоя. Поверхностным слоем называют слой металла, имеющий структуру, фазовый и химический состав, отличающиеся от основной массы детали. Поверхностный слой характеризуется макро- и микрогеометрическими параметрами и физико-механическими свойствами. К геометрическим параметрам относят шероховатость, волнистость, отклонения от заданной геометрической формы. Набор физико-химических параметров включает структуру, фазовый состав, химический состав, механические свойства, деформацию (наклеп), остаточные напряжения.

При восстановлении изношенных деталей машин наиболее распространенным способом является нанесение металлических покрытий. Тот или иной вариант восстановления применяется в зависимости от набора показателей – толщины наращенного слоя, прочности сцепления покрытия с основным металлом, механических свойств покрытия, глубины термического влияния, припуска на механическую обработку, производительности восстановления, удельных энергетических затрат и др. Наиболее распространенными являются различные варианты наплавки и электроконтактной приварки присадочного материала [5, 6]. Для повышения долговечности валов применяют технологические методы упрочнения поверхностного слоя. Их подразделяют на несколько групп: химико-термическая обработка, объемная и поверхностная закалка, электрохимическая и механотермическая обработка, наплавка износостойких слоев, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование, механическое упрочнение и др. [3, 7, 8].

В условиях эксплуатации валов возникающие при их восстановлении и упрочнении технологические остаточные напряжения могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на их долговечность. Имея в виду, что каждое функциональное свойство детали описывается набором параметров, в подавляющем большинстве случаев растягивающие остаточные напряжения вызывают снижение этих параметров, т. е. их влияние отрицательно, а сжимающие напряжения зачастую повышают значения этих параметров, т. е. их влияние оказывается положительным [9–14]. При циклическом нагружении степень влияния остаточных напряжений зависит от коэффициента симметрии цикла, концентрации напряжений и уровня рабочих напряжений [15–19]. В целом сжимающие остаточные напряжения способствуют повышению предела выносливости, а растягивающие – его снижению. Наибольшее отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений наблюдается в условиях многоцикловой усталости при симметричном цикле: они вызывают снижение предела выносливости на 35…50 % по сравнению с ненапряженным эталоном [20–23]. Данные многочисленных экспериментальных исследований показывают, что долговечность восстановленных валов и осей в целом составляет 0,3…0,7 от долговечности новых деталей. При этом известно, что до 40 % снижения долговечности связано с влиянием возникающих остаточных напряжений [24].

Повышение усталостной прочности металла возможно путем наведения в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений. В связи с этим для обеспечения требуемых функциональных свойств восстанавливаемых деталей при отладке технологического процесса необходимо получение достоверной информации об остаточных напряжениях и использование этой информации при выборе рациональных режимов восстановления, обеспечивающих создание в поверхностном слое благоприятного напряженного состояния. Известно, что только за счет создания в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений при прочих равных условиях долговечность восстановленной детали можно повысить практически до уровня новой, а в комплексе с другими технологическими решениями вполне реально получение детали с повышенными в сравнении с эталоном характеристиками [21, 25].

В настоящей работе приводятся результаты исследований, нацеленных на разработку эффективной технологии восстановления высоконагруженных валов с использованием электрокон-тактной приварки присадочных материалов. Исследования проведены в рамках сотрудничества с Башкирским государственным аграрным университетом по вопросам научно-исследовательской деятельности.

Объект исследования

Остаточные напряжения измеряли в образцах с покрытиями, выполненными по технологии электроконтактной приварки металлической ленты [24]. Измерения выполняли на образцах цилиндрической формы, изготовленных из стали 45, по образующей поверхности которых приварено покрытие (рис. 1); материал покрытия – лента, сталь 45.

Рис. 1. Образец с покрытием для измерения поверхностных остаточных напряжений

основной металл

приваренное покрытие

Технология и параметры режимов приварки покрытия приведены в работах [24, 26]. Отдельно измеряли остаточные напряжения в аналогичных образцах, дополнительно подвергнутых поверхностному пластическому деформированию обкаткой и электроконтактному упрочнению по разработанной в Башкирском ГАУ технологии [27].

Методы исследования

Метод измерения остаточных напряжений

Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов с нанесенным покрытием определяли методом, основанным на упругопластическом контактном взаимодействии инструмента с поверхностью образца [28, 29]. В качестве инструментов для нагружения применяли шаровой индентор диаметром 10 мм и конический индентор с углом раскрытия 120°. Принцип метода заключается в использовании закономерностей взаимосвязи между деформированным состоянием поверхности в условиях локального (точечного) упругопластического контактного нагружения и остаточными напряжениями в поверхностном слое детали. Измерение возникающих в результате воздействия перемещений выполняли с помощью оптической системы метода электронной спекл-интерферометрии (ЭСИ) с регистрацией нормальной компоненты вектора перемещения.

Величины главных поверхностных остаточных напряжений в точке вдавливания инструмен- та определяли по выражениям:

– при вдавливании шарового индентора

ост п x, y = 2 G т

. (

In 1 -

A W ( ^y , x ) )

W max у

– при вдавливании конического индентора

( y , x )

пост = 5 G, ln 1 - —---- x ’ y 7 т I      w

' V      "max у

,

где σ т – предел текучести материала поверхностного слоя, W max – величина нормального перемещения в контрольной точке распределения перемещений для материала поверхностного слоя детали без остаточных напряжений (определяется по предварительно полученной диаграмме вдавливания W max ( d ) для материала покрытия, d – диаметр отпечатка), Δ W ( y , x ) – изменение величины максимального нормального перемещения на оси, перпендикулярной действующему напряжению, по отношению к W max ,

A W (x • y) = Wo (x, y) - Wmax, где Wσ – перемещение в контрольной точке для детали с остаточными напряжениями.

Электронная спекл-интерферометрия

Для измерения нормальных перемещений поверхности детали, возникающих в результате воздействия инструмента, использовали оптическую систему метода ЭСИ (рис. 2).

При деформировании поверхности величина перемещения W определяется по формуле

W = n -, где λ – длина волны излучения, n – порядковый номер интерференционной полосы, проходящей через данную точку поверхности.

Рис. 2. Оптическая схема интерферометра для регистрации нормальных перемещений поверхности: В 1 , B 2 – ветви интерферометра, 1 – лазер, 2 – коллиматор, 3 – делитель (полупрозрачное зеркало), 4 – объект, 5 – зеркало, 6 – объектив, 7 – цифровой фотодетектор (регистрирующая среда)

Методика измерения остаточных напряжений

Общий комплекс работ при измерении остаточных напряжений включал два этапа: первый (предварительный этап) – настройка метода измерения на материал детали, второй – измерение остаточных напряжений. На первом этапе решали задачу построения диаграммы вдавливания Wmax(d) для материалов основы и поверхностного слоя детали в виде

W max ( d ) = W o d J d | , к ^d o )

где W 0 d – параметр, имеющий смысл условного максимального перемещения при диаметре отпечатка d 0 = 1 мм.

При измерении остаточных напряжений (на втором этапе) эти данные использовали как начальные условия для перемещений поверхности вокруг отпечатка, на фоне которых происходят изменения, вызванные влиянием поверхностных остаточных напряжений.

Методика измерений включала последовательность действий:

• 1)    с помощью электронно-оптической установки записывали распределение нормальных перемещений поверхности в наплыве вокруг отпечатка;

• 2)    измеряли диаметр отпечатка;

• 3)    с использованием диаграммы вдавливания рассчитывали величину нормального перемещения W max для измеренного диаметра отпечатка;

• 4)    по распределению перемещений определяли перемещения W σ ^{( x )} и W σ ^{( y )} на осях симметрии распределения перемещений в контрольных точках;

• 5)    вычисляли изменения перемещений Δ W ^{( x )} и Δ W ^{( y )} в этих контрольных точках;

• 6)    рассчитывали величины главных остаточных напряжений σ x ^ост и σ y ^ост.

При использовании шарового индентора создавали отпечаток диаметром 0,7…1,2 мм, при использовании конического индентора – 0,4…0,8 мм.

Испытания на многоцикловую усталость

Испытания на многоцикловую усталость проводили на образцах в соответствии с ГОСТ 25.502-79. Использовали образцы следующих типов: эталонный (сталь 45 нормализованная), закаленный (сталь 45 закаленная, твердость поверхности HRC 48…50), наваренные (основной металл – сталь 45, металл покрытия – лента, сталь 45), упрочненные (наваренные образцы с дополнительным электроконтактным упрочнением поверхности).

Испытания проводили при симметричном изгибе консольных образцов с коэффициентом асимметрии цикла R = –1 на базе 10⁷ циклов [30, 31]. В каждой серии испытывали не менее 6 образцов. По результатам испытаний строили кривые усталостной прочности (кривые Велера), показывающие взаимосвязь напряжения σ с количеством N циклов, выдержанных образцом до конца испытания.

Результаты исследований и обсуждение

Результаты измерения остаточных напряжений в образцах с приваренным покрытием показаны на рис. 3. Данные приведены по отношению к пределу текучести основного металла. Экспериментальные данные на рисунке показаны точками, а сплошная линия представляет собой линию тренда, построенную методом наименьших квадратов с использованием полинома при установленной погрешности 10 %.

а)                                                                          б)

Рис. 3. Распределения окружных (а) и осевых (б) остаточных напряжений в поверхностном слое образца с приваренным покрытием

Измерения в целом показали на высокий уровень нагруженности поверхностного слоя. Окружные и осевые остаточные напряжения ое и оz в поверхностном слое (в покрытии) одного знака, растягивающие. Средние величины компонент тензора остаточных напряжений в области, удаленной от краев, составляют σθост = 0,95σт, σzост = 0,96σт в долях предела текучести основного металла или в абсолютных значениях σθост = 274…293 МПа, σzост = 280…299 МПа. Интенсивность остаточных напряжений в поверхностном слое σiост = 277…296 МПа, т. е. 0,95 предела текучести основного металла.

Результаты измерения остаточных напряжений в образцах с приваренным покрытием, допол- нительно подвергнутых поверхностному пластическому деформированию (ППД) обкаткой шари-

ком в соответствии со схемой (рис. 4), показаны на рис. 5. Данные приведены по отношению к пределу текучести основного металла.

Рис. 4. Схема обработки поверхности покрытия ППД: 1 – зона обработки с усилием обкатки P max ; 2 – зона без обработки; 3 – зона обработки с усилием обкатки 0,5 P max

В зонах, где проведена обработка поверхности ППД, выявлены сжимающие остаточные напряжения σ θ ^ост и σ z ^ост. В зоне 2, где обработка не применялась, окружные и осевые остаточные напряжения растягивающие, но вследствие общего перераспределения максимальный их уровень не превышает 0,5 от предела текучести основного металла. В зоне 1 в удаленной от ее краев области средние величины сжимающих остаточных напряжений находятся на уровне 0,35σ т , а в зоне 3 – 0,13σ т в долях предела текучести основного металла или в абсолютных значениях соответственно 105…112 МПа и 39…42 МПа.

а)

б)

Рис. 5. Распределение окружных (а) и осевых (б) остаточных напряжений в поверхностном слое образца, обработанного ППД

Результаты исследования подтвердили, что ППД обкаткой роликом или шариком является эффективным способом управления остаточными напряжениями в деталях, восстановленных электроконтактной приваркой металлической ленты. Следует констатировать качественное и количественное совпадение полученных результатов с данными других авторов [32]. Однако ППД характерно значительное деформационное воздействие на поверхностный слой, что может привести к повреждению восстановленной детали в процессе обработки вследствие существенно пониженных пластических свойств металла в области сцепления покрытия с основой. Наличие такого рода повреждений в виде отслоения покрытия от основы выявлено в процессе испытаний и на некоторых образцах достигало 80…85 % площади покрытия. Таким образом, применение ППД возможно при условии выбора режимов, исключающих повреждение восстановленной детали.

Результаты измерения остаточных напряжений в образцах с покрытием, дополнительно подвергнутых электроконтактному упрочнению, показаны на рис. 6. Данные приведены по отношению к пределу текучести основного металла.

Применение электроконтактного упрочнения приводит к появлению на поверхности покрытия сжимающих остаточных напряжений σ θ ^ост, достигающих по величине 0,2 предела текучести основного металла. В области сцепления покрытия с основой остаточные напряжения σ θ ^ост растягивающие, но незначительные по величине, не превышают 0,2σ т . Следовательно, электрокон-тактное упрочнение деталей, восстановленных приваркой ленты, приводит к значительному снижению нагруженности поверхностного слоя. Это можно считать одним из существенных факторов, способствующих повышению долговечности восстановленных деталей.

Рис. 6. Распределение окружных остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя образца после электроконтактного упрочнения

Рис. 7. Результаты усталостных испытаний образцов [27]: 1 – образцы из нормализованной стали 45; 2 – образцы с приваренным покрытием (лента, сталь 45); 3 – образцы с приваренным покрытием (лента, сталь 45) и электрокон-тактным упрочнением

Результаты сравнительных усталостных испытаний образцов приведены на рис. 7.

Предел выносливости образцов с приваренным покрытием составил 55…65 % от предела выносливости эталонных образцов. В результате применения электроконтактного упрочнения предел выносливости образцов увеличился до 120…125 % от предела выносливости эталонных образцов. В целом применение электроконтактного упрочнения позволило практически в 2 раза повысить предел выносливости деталей, восстановленных электроконтактной приваркой металлической ленты.

Заключение

При восстановлении деталей электроконтактной приваркой металлической ленты поверхностный слой характеризуется высокой нагруженностью, компоненты поверхностных остаточных напряжений растягивающие, близки к пределу текучести материала детали. В технологии восстановления для обеспечения долговечности деталей необходимо снижение остаточных напряжений.

Эффективным способом регулирования остаточных напряжений при восстановлении деталей электроконтактной приваркой ленты является ППД. Применение ППД на рациональных режимах приводит к появлению сжимающих поверхностных остаточных напряжений и повышению усталостной прочности, а соответственно, и долговечности восстановленных деталей в 3…3,5 раза. Однако применение ППД с большой вероятностью может привести к повреждению восстановленных деталей в виде отслоения покрытия от основного металла. В связи с этим необходимо проведение дополнительных исследований с целью подбора рациональных режимов обработки, исключающих возможность повреждения восстановленных деталей.

Для повышения долговечности восстановленных деталей рекомендуется применение элект-роконтактного упрочнения. Несмотря на несколько меньшую по сравнению с ППД эффективность в контексте управления остаточными напряжениями, данный способ обработки характеризуется существенно меньшей степенью воздействия на восстановленную деталь. При этом применение электроконтактного упрочнения позволяет повысить предел выносливости восстановленных деталей в 1,5…2,5 раза.

Результаты исследований положены в основу усовершенствованной технологии восстановления коленчатых валов моечной машины ОМ22613 [27]. Приведенные в этой работе данные ресурсных испытаний показали почти двукратное повышение долговечности валов, восстановленных по новой технологии.