Детали машин

Влияние параметров поверхностного слоя деталей на интенсивность деформационного изнашивания

Работоспособность и долговечность деталей машин во многом обусловлены сохранением их точности в процессе эксплуатации. Потеря точности происходит из-за остаточных деформаций, возникающих при деформационном изнашивании. В основе этого вида изнашивания лежит возникновение несимметричных начальных напряжений в период эксплуатации. Деформационному изнашиванию подвержены блоки цилиндров, картеры коробки передач и заднего моста, коленчатые, распределительные валы, шатуны и другие детали.

Существуют две основные причины образования несимметричных начальных напряжений. Они обусловлены прежде всего режимами работы изделия – величиной и характером действующих нагрузок, рабочей температурой, продолжительностью работы, – которые приводят к возникновению градиента напряжений в сечениях детали. Так, стенки блока цилиндров воспринимают горизонтальную (нормальную) составляющую давления сгорающей смеси в цилиндрах двигателя; опоры коренных подшипников испытывают усилия, передаваемые им от коленчатого вала; опоры подшипников в картере коробки передач воспринимают усилия от валов, на которых находятся шестерни, передающие крутящие моменты. Все эти внешние силы, воспринимаемые теми или иными частями базовых чугунных деталей, вызывают их деформацию, приводящую к нарушению правильного взаимного расположения рабочих и присоединительных поверхностей.

В случае, когда напряжения от внешних температурных и силовых полей, алгебраически складываясь с технологическими остаточными напряжениями, превышают предел текучести материала детали, причиной образования несимметричных начальных напряжений является локальная пластическая деформация. Эта деформация вызывает макропластическое течение материала поверхностного слоя. Неравномерная пластическая деформация формирует в теле детали несимметричные начальные напряжения. В результате нарушается существующее равновесие напряженно-деформированного состояния детали. Перераспределение начальных напряжений приводит к образованию остаточных деформаций (изгибу валов и нарушению взаимного расположения поверхностей базовых деталей). При этом величина остаточных деформаций во многом определяется сформированной в процессе изготовления асимметрией распределения технологических остаточных напряжений в теле детали.

Когда алгебраическая сумма напряжений от внешней нагрузки и технологических остаточных напряжений меньше предела текучести материала, причиной образования несимметричных начальных напряжений является релаксация остаточных напряжений.

Под релаксацией остаточных напряжений понимают процесс снижения напряжений в деталях вследствие перехода термодинамической системы из неустойчивого, неравновесного состояния в состояние термодинамического равновесия. Уровень остаточных напряжений в детали является одним из основных факторов, определяющих интенсивность релаксации напряжений. При этом, казалось бы, с увеличением уровня снимаемых напряжений должна возрастать величина остаточных деформаций. Однако это не всегда так. При равномерной релаксации, когда за сравнительно большой промежуток времени остаточные напряжения снижаются пропорционально их первоначальной величине, уровень снятых напряжений не отражается на изменении взаимного расположения поверхностей деталей. Этот факт можно объяснить тем, что равномерная релаксация напряжений не нарушает характер распределения остаточных напряжений в сечениях детали и, как следствие, не приводит к образованию остаточных деформаций. Потеря точности происходит при неравномерной релаксации, возникающей в результате локального термического и силового воздействия на поверхность детали, а также вследствие различного уровня и знака технологических остаточных напряжений на отдельных участках изделия. Снижение остаточных напряжений с различной скоростью в разных областях детали приводит к нарушению ее напряженного состояния, а вследствие этого – к образованию остаточных деформаций.

Релаксация технологических остаточных напряжений как причина деформационного изнашивания возникает в случае, когда в процессе изготовления не была проведена операция «старения» (снятие остаточных напряжений) после получения отливки. Так, в блоке цилиндров за счет этого происходит значительное смещение опор коренных подшипников, величина несоосности которых может достигать 0,14…0,15 мм при допускаемом отклонении по техническим условиям не более 0,04 мм. В результате протекания релаксационных процессов происходит деформация присоединительной плоскости блока цилиндров, величина которой достигает 0,145 мм, и нарушение параллельности осей коленчатого и распределительного валов. Отклонение межцентрового расстояния последних может колебаться в пределах от +0,42 до -0,39 мм. Аналогичные деформации происходят в коробках передач. Так, имеют место значительные перекосы и непараллельность осей валов, доходящие до 0,5…0,7 мм на длине картера.

Деформационное изнашивание приводит к нагреву и нарушению нормальной работы подшипников и снижению усталостной прочности коленчатого вала под воздействием знакопеременных нагрузок. Кроме того, укладка коленчатого вала на смещенные опоры коренных подшипников является причиной интенсивного износа шеек и поломок коленчатого вала двигателя. Непараллельность осей валов коробки передач, возникающая в процессе эксплуатации, быстро приводит их в негодность вследствие интенсивного изнашивания, а в отдельных случаях – вследствие поломки деталей.

Следует отметить, что для сохранения точности в ряде случаев (например, для деталей типа валов) нежелательно снижать до минимума величину остаточных напряжений при обработке деталей, так как напряжения сжатия увеличивают сопротивление пластической деформации растяжения, повышая таким образом несущую способность поверхностного слоя (см. раздел 3). В свою очередь, несущая способность во многом определяет условия нагружения детали в процессе эксплуатации. В случае снижения несущей способности поверхностного слоя возрастают рабочие нагрузки и температура и, как следствие, увеличиваются скорость и неравномерность релаксации остаточных напряжений. Эти процессы инициируют деформационное изнашивание. Поэтому, принимая во внимание, что устойчивость технологических остаточных напряжений зависит от тождественности их знака со знаком напряжений от внешней нагрузки и учитывая взаимосвязь точности с состоянием поверхностного слоя, необходимо уровень и знак остаточных напряжений формировать в зависимости от конкретных условий эксплуатации изделия. Это позволит в процессе эксплуатации уменьшить вероятность возникновения пластической деформации. Кроме того, для снижения интенсивности деформационного изнашивания требуется повысить релаксационную стойкость материала путем проведения рациональных методов обработки.

Релаксационная стойкость определяется главным образом структурно-фазовымсоставомифизико-механическимисвойствамиматериала. Устойчивости остаточных напряжений способствуют все факторы, которые повышают прочность материала поверхностного слоя детали. Такими факторами являются уменьшение размеров зерен и частиц дисперсной фазы, увеличение угла их разориентировки, равномерное распределение частиц в объёме поверхностного слоя и др. Релаксационная стойкость также повышается в результате перевода метастабильных фазоструктурных составляющих в устойчивые модификации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *