Вибір конструктивних матеріалів способів зміцнення деталей

Конструкційні матеріали в загальному випадку вибирають виходячи з вимог до їх механічних, фізичних і технологічних вимог, які відповідали б умовам роботи і виготовлення даної деталі. Механічні і фізичні властивості дозволяють робити висновки про службову придатність матеріалу. По технологічних властивостях оцінюють можливість обробки матеріалу при виготовленні деталей.

До основних механічних властивостей матеріалу відносяться:

міцність — властивість здійснювати опір навантаженням без руйнування;

деформативність — властивість змінювати розміри і форму без руйнування;

пружність — властивість відновлювати початкові розміри і форму після зняття навантаження;

пластичність — властивість отримувати значну деформацію, що залишилася після зняття навантаження;

крихкість — властивість матеріалу руйнуватися при механічних впливах без помітної пластичної деформації (властивість, що протилежна пластичності); крихкість матеріалу, що спостерігається тільки при ударних навантаженнях, називають ударною; крихкість, що проявляється при низьких температурах, називають холодноламкістю;

твердість — властивість чинити опір при місцевих контактних навантаженнях пластичної деформації або крихкому руйнуванню в поверхневому шарі;

опір втоми — властивість матеріалу протистояти втомі, тобто процесу поступового накопичення пошкоджень під дією змінних напружень, що приводять до зміни властивостей, утворенню тріщин, їх розвитку і руйнуванню.

Механічні властивості конструкційних матеріалів визначаються шляхом досліджень стандартних зразків.

Фізичні властивості матеріалів характеризуються густиною (питомою вагою), температурою плавлення, коефіцієнтами теплопровідності, лінійного розширення і тертя.

Витрати, що пов'язані з обробкою матеріалів різанням, складають значну частину заводської собівартості виготовлення машин. Тому оброблюваність різанням, що характеризується придатністю матеріалів до обробки всіма видами ріжучих інструментів при великих швидкостях різання і подачах з одержанням необхідних параметрів шорсткості поверхні, що являється важливою технологічною властивістю. До числа інших технологічних властивостей, що враховуються при виборі металічних матеріалів, відносяться:

ливарні властивості — властивість рідких металів заповнювати ливарні форми і утворювати щільні відливки;

зварюваність — властивість металів зварюватись при
кімнатних і низьких температурах з утворенням міцних зварних з'єднань;

оброблюваність тиском в гарячому й холодному стані, що оцінюється технологічними пробами (на осадку, загин) і характеристиками пластичності, зміцнення і твердості при температурі обробки.

Фізико-механічні властивості та наближене призначення машинобудівних матеріалів приводяться в технічних довідниках і посібниках по розрахунку і конструюванню деталей машин. Обгрунтований вибір матеріалу для заданої деталі з широкого асортименту машинобудівних матеріалів може бути зроблений на основі порівняльної оцінки можливих варіантів. Критеріями порівняльної оцінки матеріалів є мінімальна маса і вартість матеріалу при заданих міцності, витривалості, жорсткості та інших вимог до розглядуваної деталі.

Для конструкцій, маса яких має особливо важливе значення, критеріями вибору матеріалу можуть служити питома міцність, що визначається відношенням границі міцності до густини матеріалу, або питома жорсткість, що визначається відношенням модуля пружності до густини матеріалу. Так як модуль поздовжньої пружності сталей змінюється у вузьких межах (2-2,2) 10⁵ МПа, то для виготовлення деталей, у яких переважаюче значення має жорсткість, не слід використовувати леговані сталі. В цьому випадку більш економічні вуглецеві сталі.

Для машин, що експлуатуються в північних районах, важливе значення має холодноламкість застосовуваних матеріалів. Вона понижується очищенням металів від шкідливих домішок (фосфору, сірки, кремнію, азоту, миш'яку), термообробкою і легуванням. Добавки нікелю, алюмінію, титану та інших легуючих елементів, які підвищують в'язкість сталей, також сприяють пониженню холодноламкості.

При виборі матеріалів слід враховувати інтереси заводів-виготовлювачів машин. Обмеження номенклатури матеріалів, що використовуються, дає заводам-виготовлювачам ряд важливих переваг, що пов'язані із збільшенням партій постачання матеріалів, спрощенням їх обліку і зберігання, зниженням бра-ку завдяки більш стабільній технології на ливарній, термічній та інших ділянках виробництва. Тому без крайньої необхідності не слід користуватися нетрадиційними для даного заводу матеріалами.

На заводах бурового обладнання для відповідальних деталей та несучих елементів використовують хромонікелеві, хромомолібденові і хромонікельмолібденові сталі. Сталі, що містять вольфрам і ванадій, використовуються у виключних випадках, коли інші сталі внаслідок недостатніх механічних властивостей не забезпечують можливість виготовлення деталей. В асортимент матеріалів, що використовують у виробництві бурових машин і обладнання, крім легованих сталей, входять вуглецеві загального призначення, кольорові метали, чавун, гума, полімерні та інші матеріали.

Слід вказати що звичні для деталей бурових машин і обладнання марки матеріалів періодично змінюються новими марками. Це пояснюється закономірним процесом розвитку виробництва більш якісних і економічних матеріалів, використання яких сприяє подальшому підвищенню міцності і надійності бурових машин та обладнання.

Важливий резерв підвищення міцності деталей — вибір способів їх зміцнення. Як відомо, втомне руйнування деталей в більшості випадків відбуваються від дії підвищених місцевих напружень, які породжуються концентраторами напружень металургійного, технологічного та конструктивного походження. Перехідні перерізи, канавки, нарізка, отвори та інші зміни форми деталей, а також з'єднання з натягом відносяться до конструктивних концентраторів напружень, в зоні яких місцеві напруження значно переважають номінальні. Концентрація напружень викликає пониження здатності деталей опиратися втомі.

Відношення границі витривалості зразка без концентрації напружень до границі витривалості зразків з концентрацією напружень, що мають такі ж абсолютні розміри перерізу, як і гладкі зразки, називають ефективним коефіцієнтом концентрації напружень:

(3.1)

де — ефективні коефіцієнти концентрації напружень при дії відповідно змінних нормальних і дотичних напружень;

— границі витривалості зразків без концентрації напружень;

— границі витривалості зразків з концентрацією напружень.

Ефективні коефіцієнти концентрації напружень залежать не тільки від форми деталі але й від механічних властивостей матеріалу. Значення ефективних коефіцієнтів концентрацій переважно менше коефіцієнтів концентрації напружень, що визначаються теоретично відношенням найбільшого місцевого напруження до номінального:

(3.2)

де — максимальні напруження в зоні концентрації, обчислені методами теорії пружності або визначені експериментально;

— номінальні напруження, що визначені без врахування обурення напруження (переважно по формулах опору матеріалів).

Для оцінки впливу матеріалу користуються коефіцієнтом чутливості матеріалу до концентрації напружень:

(3.3)

Знаючи коефіцієнти чутливості матеріалу до концентрації напружень та коефіцієнт концентрації напружень, можна визначити ефективні коефіцієнти концентрації напружень:

(3.4)

Якщо матеріал не чутливий до концентрації напружень ( і ), то . Якщо матеріал володіє пов-ною чутливістю до концентрації напружень ( і ), то .

Метали і сплави з неоднорідною структурою (наприклад, чавун) мають понижену чутливість до концентрації напружень ( і ). Для конструкційних сталей чутливість до концентрації напружень зростає з підвищенням границі міцності і в середньому . Тому в розрахунках значення ефективного коефіцієнта концентрації напружень слід вибирати з врахуванням не тільки форми концентратора, але й міцності матеріалу деталі. Важливо відмітити, що внаслідок підвищеної чутливості до концентрації напружень високоміцні сталі при змінних напруженнях не завжди бувають ефективними.

Значення ефективних коефіцієнтів концентрації напружень для найбільш розповсюджених в деталях бурового обладнання концентраторів напружень приведені на рис. 1Д-17Д додатка. При однакових концентраторах значення ефективного коефіцієнта концентрації напружень при крученні менше, ніж при згині:

(3.5)

Інколи в одному перерізі деталі є в наявності декілька концентраторів напружень, наприклад напресовка, шпонковий паз та ін. В таких випадках спостерігається підсилення або послаблення концентрації напружень. Вказані явища недостатньо вивчені, і тому в розрахунках ефективного коефіцієнта концентрації напружень враховується вплив найбільш небезпечного понижувача міцності.

Для підвищення опору втомному руйнуванню використовують конструктивні і технологічні способи зміцнення деталей. Конструктивні способи зміцнення основані на зниженні рівня місцевих напружень шляхом надання деталям раціональної конструктивної форми. Технологічне зміцнення досягається спеціальними методами обробки деталей при їх виготовленні.

Наявність концентраторів напружень в більшості випадків обумовлено службовим призначенням деталі, і повне їх усунення неможливе. В подібних деталях дію концентраторів напружень можна послабити різноманітними конструктивними способами, детальний опис яких надається в технічній літературі, яка присвячена основам конструювання і міцності деталей машин [27, 33].

З розглядання графіків, які приведені на рис. 1Д-17Д додатку, видно, що значення ефективних коефіцієнтів концентрації суттєво знижуються завдяки раціональним формам і прийнятим співвідношенням розмірів в перерізах деталі, які викликають концентрацію напружень. Для підвищення втомної міцності концентратори слід розташовувати на ділянках деталі, які сприймають найменші напруження, якщо це конструктивно можливо.

В деталях бурових машин найбільш розповсюдженими концентраторами напружень є кути входження ступінчастих деталей, кільцеві виточки, отвори для установки штифтів або підводу масла, шліци і шпонкові пази, зовнішні і внутрішні нарізки, гострі кромки та ін. Для зниження концентрації напружень в кутах входження ступінчастих деталей використовують різноманітні форми спряжених ступеней, з яких найбільш прості і розповсюджені галтелі. З графіків на рис. 1Д-3Д видно, що ефективний коефіцієнт концентрації напружень понижується із зменшенням відношення D/d і збільшенням відносного радіусу галтелі r/d. Ефективний коефіцієнт концентрації напружень зростає при використанні високоміцних сталей і збільшенні довжини бурта.

Розвантажувальні кільцеві виточки знижують навантаженість зовнішніх перерізаних нарізкою волокон, а також ділянок валу під матовичиною. При цьому ефективний коефіцієнт концентрації напружень, так як і в попередньому випадку, знижується із зменшенням перепаду діаметрів і збільшенням відносного радіусу виточки (рис. 4Д-6Д).

Ділянки деталей, послаблені отвором, зміцнюють шляхом збільшення перерізів у зоні отворів. З графіків на рис. 7Д-9Д видно, що ефективний коефіцієнт концентрації напружень падає із збільшенням співвідношення діаметрів отвору і валу. Деталі з отворами зміцнюють також округленням та обтискуванням кромок і притискуванням отвору кулькою. В результаті цього втомна міцність зростає на 30-50%.

При крученні вали та осі з евольвентними шліцами мають ефективний коефіцієнт концентрації напружень приблизно в 1.5 рази менший, ніж вали з прямобічними шліцами (рис. 11Д). Ефективний коефіцієнт концентрації напружень шпонкових канавок, виконаних дисковою фрезою, більший, ніж шпонкових канавок, виконаних пальчиковою фрезою (рис. 12Д).

В бурових машинах широко розповсюджені пресові з'єднання. В таблиці 3.1 приведені ефективні коефіцієнти концентрації напружень в місці посадки деталей [7].

Значення в табл. 3.1 свідчать про те, що пресові посадки здатні викликати значне (до 5 разів і більше) зниження втомної міцності спряжених деталей. Це пояснюється концентрацією напружень і фретинг-корозією, що викликається мікрозміщеннями з’єднуваних деталей під дією зовнішніх змінних навантажень. Для підвищення втомної міцності з'єднань використовуються різні конструктивні і технологічні способи. Найбільш ефективним є пониження контактних тисків на посадкових поверхнях шляхом збільшення довжини та діаметру з'єднань. Суттєвий ефект дають і деякі інші конструктивні способи зміцнення: посадки підвищеного класу точності; оптимальне співвідношення перерізів охоплюючої і охоплюваної деталей (збільшення товщини стінок одної з деталей понижує напруження в ній, але одночасно збільшує напруження в іншій дета- лі); збільшення перерізів маточини по напрямку до торців; розвантажувальні кільцеві канавки на валі і маточині [20].

В зубчастих передачах місцеві напруження знижуються шляхом округлення гострих кутів у впадинах, збільшення податливості зубів за рахунок кільцевих проточок під їх основу, застосування зубів з бочкоподібним поперечним перерізом. Розглядувані та інші конструктивні способи успішно використовуються для зниження місцевих напружень в різьбових з'єднаннях, втулкових роликових ланцюгах та інших конструкціях.

У виробництві та ремонті бурових машин і обладнання користуються різноманітними способами технологічного зміцнення. Найбільш розповсюджене об'ємне гартування, в результаті якого міцність вуглецевих сталей підвищується в 1,5-2 рази, а легованих — в 2-3 рази. Однак, як вже відзначалося, із збільшенням міцності суттєво знижується ударна в'язкість сталей і підвищується їх чутливість до концентрації напружень. Тому підвищення міцності сталей вище деякої границі малоефективне для деталей, що піддаються втомним руйнуванням.

При недостатній ефективності об'ємного гартування використовується поверхневе зміцнення деталей, яке особливо сприятливо діє на втомну міцність деталей з високоміцних сталей із небезпечними концентраторами напружень. Відомі наступні методи поверхневого зміцнення:

механічні — обкатка роликами або кульками, чеканка, ротаційно-ударний наклеп кульками, дробильноструменевий, гідродробиннобезструменевий і гідроабразивний наклеп, дернування, спрямований наклеп та ін.;

термічні — поверхневе гартування з нагрівом струмами високої частоти (СВЧ) - або киснево-ацетиленовим полум'ям;

хіміко-термічні — цементація з гартуванням, азотування, ціанування, нітроцементація;

термомеханічні — об'ємний або поверхневий наклеп в поєднанні з поверхневим гартуванням.

Велике значення в розвитку теорії і впровадження методів поверхневого зміцнення належить ЦНІІТмашу. Підвищення втомної міцності при поверхневому зміцненні головним чином зумовлене виникненням залишкових стискаючих напружень внаслідок пластичної деформації (наклепу) або структурних змін в поверхневих шарах деталі. В осерді деталі під зміцненим шаром розвиваються напруження розтягу, які мають незначну величину внаслідок порівняно великої різниці площ перерізу осердя і зміцненого шару деталі.

Залишкові напруження стиску послаблюють дію робочих напружень розтягу в найбільш небезпечних зовнішніх ділянках, а отже, сприяють підвищенню опору деталі втомному руйнуванню. Ефективність технології зміцнення може бути оцінено експериментально шляхом вимірювання залишкових напружень або випробувань деталей в експлуатаційних умовах. Відношення границі витривалості зміцнених зразків до границі витривалості незміцнених називають коефіцієнтом впливу поверхневого зміцнення:

(3.6)

де — границя витривалості зразків відповідно зміцнених і незміцнених.

Коефіцієнти впливу поверхневого зміцнення залежать від механічних властивостей матеріалу деталей, наявних в них концентраторів напружень, а отже режимів зміцнення деталей. Граничні значення коефіцієнтів зміцнення для деталей гладких і з концентраторами напружень приведені в табл. 3.2 [7, 33].

Таблиця 3.2 — Значення коефіцієнта, враховуючого поверхневе зміцнення

Спосіб поверхневого зміцнення	Коефіцієнт зміцнення,
для гладких деталей	для деталей з концентрацією напруги
Поверхнева закалка з нагрівом ТВЧ і газовим полум’ям (поверхні зубців зубчастих коліс, ланцюгових зірочок, муфт, шліців, гальмівних і канатних шківів і інших деталей із середньо- і високо вуглецевих і цементованих сталей)	1,2 — 1,5	1,6 — 2,5
Хіміко-термічна обробка (цементування, азотування, ціанірування і т.п.)	1,1 — 1,3	1,3 — 2,5
Механічні зміцнення ( наклеп видувною дробю, обмоткою поликами і т.п.)	1,1 — 1,4	1,3 — 2,2

У виробництві бурових машин та обладнання найбільш розповсюдженими методами зміцнення деталей є поверхневе гартування з нагрівом струмами високої частоти і обкатування роликами. Цьому сприяють технологічні переваги вказаних методів, з яких слід виділити їх високу продуктивність, можливість отримування чистої поверхні і зручність влаштовування в потокову лінію виробництва. Цементація вимагає більшої тривалості і тому являється менш продуктивним способом зміцнення.

Технологічні способи зміцнення у співвідношенні з конструктивними — особливий резерв підвищення міцності і довговічності бурових машин і обладнання.

Поиск по сайту: