Адрес этой страницы' ?>

Оглавление книги Предыдущая Следующая

УПРОЧНЕНИЕ КРУПНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ НАКЛЕПОМ

Поверхностный наклеп является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок. Наклеп может осуществляться различными способами пластической деформации поверхностного слоя: дробеструйным и центробежным способами, обкатыванием роликами, чеканкой ударниками и т. д. [25].

Благоприятное действие поверхностного наклепа неоднократно проверялось прямыми испытаниями образцов на усталостную прочность при различных способах циклического нагружения [25, 30, 32]. Предел выносливости образцов, не имеющих конструктивных концентраторов напряжений (гладких), повышается в результате поверхностного наклепа на 25—40%.

Для деталей, имеющих конструктивные концентраторы напряжений в виде прессовых посадок, галтелей, выточек и т. п., поверхностный наклеп особенно полезен. Так, например, наличие напрессованной втулки снижает усталостную прочность образцов примерно вдвое. Обкатыванием удается значительно повысить усталостную прочность, а зачастую и полностью устранить вредное влияние напрессовки. В результате поверхностного наклепа на 60% повышается предел выносливости образцов с кольцевым надрезом, на 50% —образцов с поперечным отверстием, на 30—100%—ступенчатых образцов с галтелями малого радиуса.

Высокая эффективность поверхностного наклепа для образцов с концентраторами напряжений объясняется благоприятной ролью остаточных напряжений сжатия, возникающих при пластической деформации поверхностного слоя. Они позволяют вбольшой мере или даже полностью устранить вредное влияние концентраторов на прочность.

Большинство известных количественных характеристик эффективности поверхностного упрочнения получено при усталостных испытаниях образцов диаметром менее 100 мм. В последние годы, однако, проведен ряд экспериментальных работ, убедительно показавших высокую эффективность поверхностного наклепа и для образцов относительно крупных размеров.

Так, в ЦНИИТМАШ были испытаны на круговой изгиб образцы стали 40 диаметром 180 мм, обкатанные роликами и шариками по методике, разработанной совместно с Уралмашзаводом для упрочнения крупных деталей [60]. Испытания проведены на резонансной машине У-200 при базе 10 миллионов циклов. Испытания показали, что предел выносливости гладких образцов повысился на 37% —с 20 до 27,5 кг/мм2, образу цов со втулкой на 200%— с 7 до 21 кг/мм2 и ступенчатых образцов с галтелью радиусом 8 мм на 42% —с 13 до 18,5 кг/мм2. В результате поверхностного наклепа прочность ступенчатых образцов почти достигла, а прочность образцов со втулкой даже! превзошла прочность гладких неупрочненных образцов [62].

Высокая эффективность поверхностного наклепа для крупных деталей подтверждается и данными, полученными непосредственно при эксплуатации упрочненных деталей. Эти данные важны ввиду ограниченного количества лабораторных средств для испытаний крупных образцов на усталость, большой длительности и высокой стоимости таких испытаний.

Особенно наглядно упрочняющий эффект проявляется для деталей, работающих в условиях ограниченной долговечности при напряжениях, превосходящих предел выносливости. Xapaктерный пример такого рода деталей — штоки штамповочных молотов. В месте запрессовки относительно тонкого штока в массивную бабу при работе молота создается высокая концентрация напряжений, приводящая к частым поломкам штоков, несмотря на применение для их изготовления высокопрочных летированных сталей.

Для штоков молотов с весом падающих частей 6,5 и 7 т, имеющих диаметр цилиндрической части 220 мм, была применена операция обкатывания роликом опасной зоны [60]. После окончательной токарной обработки штоки обкатывались роликом с профильным радиусом 7 мм с усилием 3500 кг, подачей 0,3 мм/об при скорости 30 м/мин. В результате такой обработки стойкость штоков увеличилась в 2,5 раза. Аналогичные данные по упрочняющему эффекту от обкатывания для штоков штамловочных молотов получены на ряде заводов [61].

Известно в практике работы заводов упрочнение поверхностным наклепом валков обжимного стана 830. В результате обкатки ручьев срок службы валков продляется в среднем с 850 до 1400 часов работы [53]. Многократное увеличение долговечности получено лри эксплуатации таких упрочненных деталей, как клапанные пружины, рессоры, торсионные валы, железнодорожные оси и т. п. [57, 58].

Однако данных, характеризующих эффективность поверхностного наклепа деталей диаметром более 2000—2500 мм, известно очень мало. В то же время в тяжелом машиностроении часто возникает необходимость упрочнения крупных деталей. Суждение об эффективности поверхностного упрочнения для деталей, имеющих диаметр 500 мм и более, может быть высказано на основании исследований пластической деформации поверхностного слоя и остаточной напряженности металла крупных деталей.

В настоящее время признается возможность эффективного упрочнения деталей практически любых размеров [57]. Это утверждение основано, с одной стороны, на том, что современные методы обработки позволяют создать значительный по абсолютной величине наклепанный поверхностный слой металла, измеряемый десятками миллиметров, и, с другой—на возможности упрочнения деталей за счет относительно тонкого наклепанного слоя, составляющего по глубине 0,02—0,05 радиуса упрочняемой детали.

Обкатывание роликами с рабочим усилием 6000 кг дает толщину наклепанного слоя на крупных валах из углеродистой стали 10—14 мм и на легированных сталях 6—7 мм [60]. Еще более эффективна чеканка мощными пневматическими ударниками с энергией удара 8 кгм. Толщина наклепанного слоя при этом достигает 20 мм.

Глубина распространения благоприятных сжимающих остаточных напряжений несколько превосходит толщину наклепанного слоя, а величина их достигает высоких значений. Так, осевые остаточные напряжения в обкатанных валах диаметром 240 мм достигают в поверхностных слоях 75 кг/мм2, а окружные 32 кг/мм2 при глубине залегания 17—18 мм [59].

Специальное исследование, проведенное в ЦНИИТМАШ с образцами диаметром 5, 10 и 30 мм, показало, что, несмотря на проявление масштабного эффекта, заключающегося в понижении прочности с ростом размера образцов, относительная величина упрочнения обкатыванием остается одинаковой при сохранении геометрического подобия размеров упрочненного слоя. Однако еще ранее было показано, что даже значительное отступление от оптимальной глубины наклепа приводит к потере небольшой доли упрочняющего эффекта. Так, например, снижение рабочего усилия обкатывания на 60% вызывает понижение эффекта упрочнения лишь на 5% [56]. Это подтверждается рядом более поздних исследований [57].

Даже в тех случаях обработки крупных деталей, когда при-меняемые режимы не позволяют рассчитывать на максимальный эффект, упрочнение все же, как правило, остается весьма значительным.