Технологические методы повышения качества пружин,
применяемых в автотранспорте
Страница 3/4.
Усталостные разрушения и поверхностный слой деталей. Тщательный анализ причин возникновения отказов показывает, что эксплуатационные характеристики пружин зависят не только от механических свойств пружинных сталей, но и от состояния поверхности, которая при кручении и изгибе воспринимает максимальные напряжения. При эксплуатации в условиях высоких нагрузок, скоростей, влияния агрессивных сред качество поверхности является определяющим фактором в обеспечении эксплуатационной надежности пружин, даже при условии повышенных прочностных свойств пружинных сталей.
Разрушение пружины от усталости происходит вследствие многократного изменения напряжений и связано с местными пластическими деформациями в отдельных слабых микрообъемах (зернах). При высоких напряжениях и большом числе их повторений на поверхности пружины возникает трещина, распространяющаяся по сечению витка и приводящая к поломке пружин. [4]
Ю.И. Иванов и Н.В. Носов, на основе результатов обработки экспериментальных данных [5], предложили эмпирическую зависимость предела выносливости от параметров качества поверхностного слоя:
σ-1=σ(1+ε1)-ε2Ra-ε3στ,
где
σ – предел выносливости, который зависит от свойств материала и выбранной базы испытаний;
ε1, ε2, ε3 – коэффициенты, учитывающие наклеп, шероховатость и остаточные напряжения в поверхностном слое.
Коэффициент
ε1=2(hК-hН)/Н,
где
hН – глубина упрочнения;
hК – критическая глубина упрочнения, которая зависит от марки материала;
Н – толщина плоской или диаметр цилиндрической детали;
ε3=σ/σвр,
где σвр – временное сопротивление.
Из формулы видно, что можно повысить предел выносливости детали. Если после окончательной механической обработки в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия, то последний член в формуле имеет знак плюс и, следовательно, σ-1 будет повышаться. Кроме этого, σ-1 зависит также от глубины поверхностного упрочнения. Если hН>hК, то ε1 положительна, что увеличивает предел выносливости. Снижение же Ra всегда будет сопровождаться увеличением предела выносливости деталей.
Специальные исследования прочности в условиях циклического нагружения и практика эксплуатации машин подтверждают, что состояние поверхностного слоя пружин во многом определяет их долговечность, так как поверхность пружин из-за влияния окружающей среды и несовершенства обработки всегда имеет повреждения и микронеровности, играющие роль концентраторов напряжений. Решающее влияние состояния поверхностного слоя на выносливость пружин объясняется также тем, что в условиях работы их на кручение и изгиб, наибольшие напряжения испытывают именно поверхностные слои.
Для пружин, работающих в условиях больших упругих деформаций, повышение прочности и снижение характеристик пластичности поверхностного слоя способствует резкому повышению их выносливости. Полученные в результате наклепа поверхности остаточные напряжения сжатия, складываясь алгебраически с напряжениями от внешней нагрузки, при достаточной интенсивности наклепа обеспечивают изменение суммарного напряженного состояния в сторону преимущественно сжимающих главных напряжений.
Сопротивление усталости сталей зависит от вида напряженного состояния и увеличивается по мере преобладания сжимающих напряжений.
Повышение прочности поверхностного слоя и влияние остаточных напряжений приводит к увеличению предельных амплитуд напряжений от внешней нагрузки, повышая несущую способность пружин. Схема, поясняющая распределение предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению образца в зависимости от остаточных напряжений сжатия, дана на рис. 1.
Распределение предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению представлено кривой 1, где σ-1П – предел выносливости металла поверхностного слоя с учетом положительного влияния остаточных сжимающих напряжений в нем, σ-1С – предел выносливости металла сердцевины. Кривая 2 представляет эпюру напряжений от внешней нагрузки, при изгибе неупрочненной пружины. При наличии упрочнения зарождение усталостной трещины произойдет в точке пересечения эпюры рабочих напряжений (кривая 3) с кривой пределов выносливости (точка А). Максимальное напряжение на поверхности повышается в этом случае (по сравнению с пределом выносливости сердцевины) на величину ∆σ, определяющую эффект упрочнения.
Рис. 1. Схема распределения предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению образца в зависимости от остаточных напряжений сжатия
Создание вблизи поверхности остаточных сжимающих напряжений позволяет увеличивать предельные амплитуды напряжений в поверхностном слое пружины без риска ее преждевременного разрушения. Изменяя остаточные напряжения сжатия и глубину упрочнения, можно получить различное распределение пределов выносливости с повышением их вблизи поверхности. Большое влияние на прочность пружин в целом оказывает качество внутреннего слоя (сердцевины), поэтому наряду с упрочнением поверхностного слоя необходимо стремиться к высоким прочностным свойствам исходного материала; он должен быть правильно выбран и правильно термически обработан. [4]
Формирование качества поверхностного слоя деталей в основном осуществляется на заключительных операциях технологического процесса их получения.
Процессы шлифования характеризуются высокой теплонапряженностью процесса и большими удельными давлениями в зоне резания. Значительные изменения температуры и давления в зоне резания, в свою очередь, вызывают изменение структуры, фазового состояния и, на их основе, изменение физико-механических свойств поверхностных слоев металла. Поэтому изучение физико-механических свойств поверхностного слоя является одним из условий установления оптимальных режимов обработки, обеспечивающих достижение не только высокой производительности, точности и шероховатости, но и способствующих улучшению эксплуатационных свойств деталей. Варьирование эксплуатационных свойств деталей можно производить путем создания благоприятных величин наклепа, микротвердости и остаточных напряжений.
Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях металлов происходят под действием высоких температур в зоне резания. Наклеп, структурные и фазовые превращения формируют в поверхностных слоях деталей остаточные напряжения. Численное значение и знак напряжений зависят от значения и знака исходных остаточных напряжений, полученных деталью на предшествующих операциях, а также от степени силового и теплового воздействия текущей операции. Остаточные напряжения в поверхностном слое могут создаваться двух видов: сжимающие со знаком минус и растягивающие со знаком плюс. Знак и численное значение остаточных напряжений при шлифовании определяются воздействием теплового и силового факторов, варьируя которые, можно технологическими методами создавать нужные напряжения. Полезность и вредность тех или иных остаточных напряжений в условиях эксплуатации определяются из анализа служебного назначения деталей. В процессах ленточного шлифования заложены широкие возможности варьирования технологическими методами числовых значений и знаков остаточных напряжений. Достигается это путем подбора схем ленточного шлифования, режимов обработки, характеристик ленты, видов и способов подачи СОЖ, размеров и видов рабочей поверхности контактных элементов. [6]
Снятие припусков кругами обеспечивающая шероховатость в пределах 8-9-го классов и точность размеров до 5 квалитета. При обработке абразивными кругами проволоку необходимо разрезать на прутки, что в свою очередь значительно уменьшает производительность процесса обработки. В то время как схемы ленточного шлифования позволяют обрабатывать длинномерные заготовки, что благоприятно сказывается на производительности процесса. К тому же, ленточное шлифование позволяет получать поверхности с шероховатость до 9-10 класса и точностью до 5 квалитета.
Поэтому в качестве метода окончательной обработки предлагается ленточное шлифование с вращением ленты вокруг детали. Согласно нашим исследованиям, ротационное ленточное шлифование является наиболее перспективным и предпочтительным направлением в области обработки бесконечных не вращающихся деталей ленточным шлифованием.
Предлагаемое устройство разработано на основе схемы одностороннего шлифования свободной ветвью абразивной ленты с вращением ленты вокруг детали и запатентовано [7]. Экспериментальная модель устройства была изготовлена и опробована в лаборатории при кафедре «Автомобили и металлорежущее оборудование» Ижевского государственного технического университета. Общий вид устройства ротационного ленточного шлифования представлен на рис. 2.
Устройство работает следующим образом:
Шлифуемая заготовка 16 подается сквозь левые направляющие ролики 19 далее сквозь ось 5 в ручей правых направляющих роликов 19, предварительно, для ослабления натяжения абразивной ленты, ведомый ролик 14 отводится в сторону. Далее необходимо установить необходимое натяжение абразивной ленты 15, перемещая ведомый ролик 14 против часовой стрелки и регистрируя величину натяжения при помощи стандартного динамометра. Включение электродвигателя 2, при помощи муфты 4 и редуктора 3, приводит во вращение шкив 9, который вращает шкив 8, связанный с ним ременной передачей. При этом вращение от электродвигателя 2, при помощи шкива 7 и шкива 6, передается на ведомый шкив 12 и затем, при помощи вала 10, на ведущий ролик 1. Таким образом, абразивной ленте 15 сообщается планетарное движение.
Рис. 2. Общий вид экспериментального устройства ротационного ленточного
шлифования
Отличительной особенностью устройства ротационного ленточного шлифования
является то, что, привод движения абразивной ленты, выполнен в виде
шкивов, связанных ременными передачами, а шлифовальная головка
установлена с возможностью планетарного движения.
Страница 3/4.
