Повышение точности расчетов на прочность деталей машин и механизмов, подвергнутых дозированному деформированию тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Отрадный, Вячеслав Васильевич

• Отрадный, Вячеслав Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Отрадный, Вячеслав Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ДОЗИРОВАННЫМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ.

1.1. Анализ исследований влияния наклёпа на механические свойства материала деталей.

1.2. Циклическая прочность упрочнённого материала деталей.

1.3. Остаточные напряжения после пластической деформации материала деталей и их влияние на несущую способность деталей машин с концентраторами напряжений.

1.4. Оценка влияния деформационного упрочнения на прочность и износостойкость деталей машин и механизмов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности расчетов на прочность деталей машин и механизмов, подвергнутых дозированному деформированию»

В современном машиностроении большое количество деталей и узлов из конструкционных материалов изготавливается с применением разнообразных деформационных методов. Работоспособность и эксплуатационные свойства таких деталей активно меняются при предварительном деформировании материала деталей, так как данный процесс приводит к изменению физических и механических свойств материала и формированию остаточных напряжений в них.

При разработке различных машин и механизмов для деталей используют различные методы их упрочнения, закладываемые в технических требованиях. Применение деталей машин и механизмов, упрочнённых деформационными методами, диктуется необходимостью экономии материалов и энергоресурсов. В машиностроении применяются самые различные классы деталей, в конструкции которых закладывается деформационное упрочнение для повышения их несущей способности и эксплуатационных свойств [5,6, 38, 84]. Существование большого количества таких деталей объясняется также разнообразием методов изготовления, содержащих процессы деформирования, их прогрессивностью по производительности и экономической эффективности [8, 10, 79].

Вопрос применения деформационного упрочнения и учёт возможного изменения свойств материала после дозированного деформирования актуален ещё на этапе проектирования деталей. Это особенно актуально в свете того, что качественные характеристики массовых видов отечественной техники, в первую очередь по показателям надёжности, значительно уступают зарубежным аналогам [64]. Так, ресурс отечественных автотранспортных средств на 200-400 тыс. км ниже, чем зарубежных. Аналогичное положение с показателем «наработки на отказ» нашей сельскохозяйственной техники [24]. Ресурс машины определяется долговечностью её составляющих деталей. Многие детали (валы, шестерни, оболочки, корпусные детали) подвержены циклическим нагрузкам и разрушению от усталости, а также износу. Недостаточная надёжность выпускаемой техники по данным на 1990 год влечёт огромные расходы на её ремонт (более 49 млрд. руб. в год), не учитывая отвлечения на эти цели трудовых ресурсов и организации производства запасных^ частей [64]. По данным указанного автора, причиной низкой надёжности техники являются в основном просчёты, допускаемые на этапе её проектирования при не учёте конструкторами некоторых факторов, значительно влияющих на работоспособность, разрабатываемых деталей.

Таким образом, повышение несущей способности и эксплуатационных свойств деталей дозированным деформированием и учёт этого повышения на этапе проектирования является актуальной задачей, способствующей экономии энергии и материалов при изготовлении и доводке конструкций.

Для деталей из пластичных сталей (малоуглеродистая, качественная конструкционная сталь, аустенитная сталь) деформирование может закладываться из условий изготовления или из требований к конструкции деталей для задания им требуемых эксплуатационных свойств. Конструкция деталей обуславливает индивидуальные особенности применения предварительного дозированного деформирования (нагружения), которые необходимо учитывать при конструировании деталей. Например, в деталях машин и механизмов (валы, шестерни, сита, роторы сепараторов и центрифуг), работающих при статических, ударных нагрузках и износе необходимо учитывать изменение пределов прочности, текучести, твёрдости, ударной вязкости и износостойкости. При проектировании и расчётах многих деталей машин и механизмов (различные энергетические машины, автоклавы вулканизационные, роторы центрифуг, аппараты, работающие при чередовании давления или вакуума. и т. д.), необходимо учитывать изменение циклической прочности (¿т./).

Актуально также учитывать изменение циклической прочности деталей с концентраторами напряжений после дозированного деформирования, поэтому целью настоящей работы является улучшение массогабаритных характеристик стальных деталей машин, подвергаемых дозированной деформации за счёт уточнения их расчётов на прочность и усталость.

Для реализации цели в работе был выполнен ряд исследований, определяющих её новизну и практическую ценность. В работе установлены зависимости, связывающие пределы выносливости сталей аустенитного класса и степени деформации для расчёта на прочность при циклически меняющихся напряжениях, объяснён механизм этого упрочнения. Установлены зависимости между циклической прочностью упрочнённых сталей этого класса и их магнитными свойствами, разработан способ определения пределов выносливости этих сталей измерением их магнитных свойств. Предлагаются конструкции деталей с концентраторами напряжений с увеличенной несущей способностью, в технических требованиях к которым задаётся дозированное нагружение. При помощи разработанных математических зависимостей, предлагается учитывать значения механических и физических характеристик качественных конструкционных сталей, подвергнутых дозированному деформированию.

Таким образом, дополнительным резервом экономии сырьевых и энергетических ресурсов является, использование и учёт повышения несущей способности стальных деталей, подвергнутых дозированному деформированию по следующим положениям, вынесенным на защиту. 1) результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению циклической прочности и эксплуатационных свойств деталей из сталей аустенитного класса дозированным деформированием; 2) способ определения пределов выносливости (ст./) сталей аустенитного класса после деформационного упрочнения измерением их магнитных свойств; 3) результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния дозированного нагружения деталей с концентраторами на их долговечность на примере плоской детали с круговым концентратором; 4) зависимости для расчёта механических характеристик качественных конструкционных сталей в деталях машин после деформационного упрочнения.

Умение оценивать данный процесс даст большую свободу при разработке новых машин и позволит проектировать более удачные конструкции, с точки зрения их несущей способности, долговечности, надёжности, а также экономической целесообразности. Указанные факторы очень актуальны и, безусловно, важны для экономики большинства промышленных предприятий России.

•л

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ост, т0ст ~ нормальные и касательные остаточные напряжения соответственно;

Gj и тт- пределы текучести при нормальных и касательных напряжениях соответственно; стх, <Ту, сг2 - нормальные напряжения в направлении осей Ох, Оу, Oz соответственно;

Тху, Тр, т2Х- касательные напряжения в плоскостях осей ху, yz, zx соответственно;

Ек - модуль упрочнения;

Ей G- модуль продольной упругости и модуль сдвига соответственно; у - коэффициент Пуассона; ав аВсж - пределы прочности при растяжении и сжатии соответственно; е- относительная деформация (относительное удлинение);

0 и £уПр - относительная пластическая деформация и относительная упругая деформация соответственно; ъ и £ш - пластическая деформация, соответствующая пределу прочности и в момент образования шейки соответственно;

5- относительное удлинение образца {5=Л1/1)\

5i„ - логарифмическая деформация (5in=ln l/la= ln F/Fo); Si - интенсивность деформации; ц/- относительное сужение (y/=ÁF/F¿)\ аЕ- эквивалентное расчётное напряжение по условию прочности либо по условию пластичности; сг] и [гг]- допускаемые нормальные и касательные напряжения соответственно; стцт - длительный предел контактной выносливости;

5 - общий запас прочности; коэффициенты запаса прочности для нормальных и касательных напряжений соответственно;

Я-ю, коэффициенты запаса прочности по пределу выносливости для деталей и образцов соответственно;

7.1 и т1 - пределы выносливости при симметричном цикле для нормальных и касательных напряжений соответственно; т./£> и <Х/о у1ф- пределы выносливости не упрочненной и упрочненной детали соответственно; о-ти тт- постоянные составляющие циклически изменяющихся нормальных и касательных напряжений соответственно;

7-ш и аа - средние значения предела выносливости детали и амплитуды напряжений соответственно; сга и та— амплитуды циклически изменяющихся нормальных и касательных напряжений соответственно (соответствуют ограниченным пределам выносливости при построении кривых усталости);

7т и тт - постоянные составляющие циклически меняющихся напряжений нормальных и касательных соответственно; аЮупр эффективный коэффициент упрочнения (отношение предела К

У выносливости сг.юупр фактического упрочнённого образца к пределу выносливости эталонного сг.ш).

Као и КТо - общие коэффициенты снижения пределов выносливости деталей при изгибе, кручении, концентрации напряжений с учётом масштабного фактора; у/а и у/т - коэффициенты чувствительности к асимметрии цикла; тш - напряжение начала образования шейки при растяжении образца;

- исходная площадь поперечного сечения образца;

Р- истинная площадь поперечного сечения образца; ц/=(Г(г¥ш)/Р() - относительное сужение; тах ( ^шах) и сг„от (Тпот) ~ максимальные и номинальные напряжения соответственно; а„— а-\ико в в

АгиЫтеоретический коэффициент концентрации напряжений, зависящий от геометрии концентратора, размеров образца и вида напряжённого состояния; эффективный коэффициент концентрации напряжения (отношение предела выносливости эталонного образца <х1£) к пределу выносливости а.юкон такого же образца с концентратором напряжений). градиент нормальных напряжений и угол наклона касательной к эпюре распределения напряжений у поверхности соответственно; относительный градиент (1/мм) первого главного напряжения (направленного вдоль бруса); фактическая площадь контакта и нормальная нагрузка; условное напряжение растяжения (сжатия); КСи - ударная вязкость изгиба; ст. = выборочное среднее квадратичное отклонение; п-\ е п- 1=(х-а)/сг- квантиль распределения Стьюденса (при вероятности е);

Аа- предельную относительную ошибку (допуск) при оценке среднего значения, у- коэффициент вариации величины; ао,2 - условный предел текучести;

8м- максимальное удлинение образцов с отношением длины к диаметру рабочей части как 1:10; из,- относительная износостойкость йс7 с1п = ~КП(сг) - математическая форма гипотезы Гатса, где йап - текущее значение прочности материала; п - число циклов деформирования; П(а) - функция повреждённости. Й

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Отрадный, Вячеслав Васильевич

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить, что объёмное дозированное деформирование в деталях из малоуглеродистых, качественных конструкционных и аустенитных сталей повышает не только предел текучести, предел прочности, твёрдость, а также предел выносливости (<т;) материала. Наибольший эффект упрочнения наблюдается у пластичных сталей.

2. Экспериментальные исследования влияния дозированного деформирования на механические свойства аустенитных сталей в интервале степеней деформации £о=0,5-5-2,5% показывают существенное увеличение прочностных характеристик, так при £-0=2,5% увеличение составляет: <уТ на 27 %, сгв на 2,5 %, ст./ на 5% от исходных значений. Установлено, что ст./ аустенитных сталей активно повышается с увеличением £0 в широком интервале исследований £о=04-20%. Получены количественные значения зависимости <х/ от степени деформации £0 в этом интервале. Так, повышение предела выносливости аустенитных сталей ст./ при степени деформации €о =20% составляет ~30% и является резервом несущей способности, надёжности и долговечности деталей из таких сталей. Высокое увеличение статической и циклической прочности этих сталей объясняется протеканием в этих сталях деформационного упрочнения за счёт превращения аустенита в мартенсит и за счёт дислокационных процессов. Для кольцевых деталей из аустенитных сталей типа 12Х18Н10Т, работающих в условиях циклически меняющихся напряжений, может быть рекомендовано задание дозированной деформации степенью до 2,5%.

3. Разработан способ определения предела выносливости (ст./) аустенитных сталей после деформационного упрочнения, позволяющий экономить материальные и энергетические ресурсы по проведению испытаний на циклическую прочность.

4. Установлены зависимости для расчёта пределов текучести (сгт), прочности (сгв) и показателей пластичности качественных конструкционных сталей в деталях после деформационного упрочнения. Рекомендуемой степенью деформации для таких сталей является величина не более 1,5%.

5. На основании теоретических исследований выдвинута гипотеза о возможности снятия пиков местных напряжений в деталях с концентраторами напряжений дозированным деформированием. Отмеченная гипотеза экспериментально подтверждена - установлено повышение несущей способности деталей машин с круговым концентратором после деформационного воздействия со снижением эффективного коэффициента концентрации Ка на 13%, что позволяет дополнительно поднимать допускаемое напряжение на 10%. Предложен ряд конструкций роторов фильтрующих центрифуг, кольцевые детали которых подвергаются дозированному деформированию. При задании дозированной деформации в деталях с концентраторами необходимо вести к тому, чтобы в зоне концентратора сформировать остаточные напряжения, противоположные рабочим напряжениям. Рекомендуемая степень деформации для формирования этих напряжений составляет ед= 0,12-^0,5%. Результаты работы приняты к техническому использованию на предприятии ОАО «Курганхиммаш» и подтверждены актами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Отрадный, Вячеслав Васильевич, 2005 год

1. Бакши O.A., Зайнулин P.C. О снятии сварочных напряжений в сварных соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки // Сварочное производство. 1973.- №7.- С. 10-11.

2. Бернштейн М.Л, Займовский В.А. Механические свойства металлов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1979.- 235 С.

3. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 С.

4. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. М.: Наука, 1986.-560 С.

5. Бубнов В.А. Изменение механических свойств сталей при пластическом изгибе и последующем пластическом растяжении // Известия вузов. Машиностроение. 1989.-№ 12.-С. 3-6.

6. Бубнов В.А., Багрецова H.A. Усталостная прочность сталей при упрочнении холодным пластическим деформированием // Известия Вузов. Машиностроение. -1992.-№ 10-12.

7. Бубнов В.А., Отрадный В.В. О модуле продольной упругости при пластической деформации // Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб. науч. трудов. Курган: Изд-во КГУ, 1997.- С. 116 - 120.

8. Бубнов В.А. Повышение точности и несущей способности базовых деталей химических машин и аппаратов методами пластического деформирования: Дис. канд. Техн. Наук, Курган, 1989.-417 С.

9. Вайнберг Д.В. Концентрация напряжений в пластине около отверстий и выкружек. Киев: Техника, 1969. 220 С.

10. Вотинов В.А. Ресурсосберегающая технология изготовления роторов промышленных центрифуг на основе повышения точности сборочных элементов: Дис. канд. Техн. Наук. Защищена 29.06.00. - Курган: КГУ, 2000.- 159 С.

11. Герасимов В.Я., Парышев Н.В. Изменение предела текучести при осадке цилиндров из холоднотянутой стали // Сталь 1996. № 5. С. 50.

12. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1978. 568 С.

13. ГОСТ 1497-84 (СТ СЭВ 471-77). Металлы. Методы испытаний на растяжение. М., 1985.- С. 3-39.

14. ГОСТ 17367 71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы. - М., 1972.- 5 С.

15. ГОСТ 25.502-79. Расчёты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Взамен ГОСТ 23026-78; Введ. с 01.01.1981.-М., 1980. 32 С.

16. ГОСТ 25.504-82. Расчёты и испытания на прочность. Методы расчёта характеристик сопротивления усталости.- М., 1982. -80 С.

17. ГОСТ 380-94. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. Введ. с 01.01.1997 // Сталь углеродистая обыкновенного качества и низколегированная.- М.: Изд-во стандартов, 1997. - С. 30-34.

18. ГОСТ 5632 72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные марки. - М., 1972,- 59 С.

19. ГОСТ 6032-89 (ИСО 3651-1-76, ИСО 3651-2-76). Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии. Взамен ГОСТ 6032-84.- М.,1990. -30 С.

20. ГОСТ 9012-59. Металлы. Методы испытаний. Измерение твёрдости по Бринеллю. -М., 1970. -С. 77-86.

21. ГОСТ 9454-78 (Ст СЭВ 472-77, Ст СЭВ 473-77). Металлы. Метод определения ударной вязкости при пониженной, комнатной и повышенной температурах. М.: Изд-во стандартов, 1979. -С. 126-135.

22. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1986. -541 С.

23. Долговечность трущихся деталей машин: Сб. статей. Вып. 5 / Под общ. ред. Д.Н. Гаркунова.- М.: Машиностроение, 1990. 368 С.25.