30 Апр

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕ-НИЙ В КОЛЬЦАХ ПОДШИПНИКА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Известно, что одним из основных факторов, приводящих к снижению первоначальной точности изделий, является неуправляемая релаксация остаточных напряжений, неизбежно возникающая в соответствии с законами теории ползучести в процессе их эксплуатации. Увеличение отклонений формы и изменения размеров изделий, вызываемое релаксацией напряжений, неизбежно приводит к снижению надежности и уменьшению срока службы изделий, снижению их эксплуатационных свойств. Даже казалось бы незначительное  изменение напряжений, а следовательно и геометрических параметров изделий, в течение определенного интервала времени приводит к резкой потери точности этих изделий, а затем и машины в целом. Иногда осуществляется поломка изделий, когда остаточные напряжений в изделиях суммируются с напряжениями, возникающими в процессе их эксплуатации.

Известно, что напряжения в изделиях возникают в процессе их изготовления при получении заготовок деталей, при их механической обработке, при термической обработке, при сборке изделий и суммируются в готовом изделии. Чтобы избежать потери качества изделий в процессе эксплуатации, производители техники, к которой предъявляются высокие требования надежности и долговечности, осуществляют релаксацию остаточных напряжений на заключительных стадиях их изготовления.

Из известных способов уменьшения или устранения остаточных напряжений и стабилизации размеров для прецизионных изделий точных приборов наибольшее применение имеет термическая обработка — отжиг и ста­рение. Основными недостатками этих существующих технологий релаксации являются следующие: а) большие затраты энергии; б) их низкая производительность; в) длительность цикла обработки; г) необходимость использования дорогостоящего оборудования (печей) для осуществления обработки; д) большие потребные производственные площади; е) высокая квалификация обслуживающего персонала; ж) тяжелые условия труда; з) отрицательное воздействие на окружающую среду и др. Все перечисленные недостатки приводят к резкому необоснованному удорожанию изделий и не гарантируют при этом высокое качество. Именно поэтому продолжаются поиски эффективного способа снятия остаточных напряжений.

Сотрудниками ООО НПП НИМ разработана эффективная технология ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в деталях типа колец [1-3].  Сущность данной технологии заключается в том, что обрабатываемая заготовка подвергается упругой деформации на определенную величину, а от специальной ультразвуковой установки ей дополнительно контактным способом сообщаются ультразвуковые колебания.

Испытания способа релаксации остаточных напряжений  [4] проводились на кольцах 206-01Б взятых после операции шлифования по наружному и внутреннему диаметрам и предварительного шлифования желоба.

Согласно разработанной методики исследований в качестве исследуемых факторов принимались:

Dк — наружный диаметр колец;

Vк — отклонения от некруглости желоба по наименьшему диаметру;

Нм — твердость материала.

Ультразвуковая обработка колец проводилась в лаборатории ООО НПП НИМ на опытной установке для проведения МЭР по отработке технологии стабилизации. При этом сравнивали три группы колец, из которых 1-ю группу колец обработали по заводской технологии дополнительного отпуска (отпуск при температуре 150°С в печи в течение 3-х часов), 2-ю группу колец обработали по усредненным режимам ультразвуковой обработки и 3-ю контрольную группу не подвергалась никаким видам обработки.

Для определения величины остаточных напряжений была принята следующая методика. В исследуемых образцах (кольцах) измеряли наружный диаметр с точностью до 1 мкм. Затем кольца разрезали и измеряли их наружный диаметр в плоскости, перпендикулярной резу. При этом, под действием внутренних напряжений, имеющихся в материале кольца, величина его наружного диаметра изменялась — уменьшалась или увеличивалась в зависимости от знака напряжения до положения статического равновесия.

После разрезания кольцо представляет собой упругий элемент, характеризующийся величиной жесткости. Определив жесткость кольца и зная величину изменения его наружного диаметра можно подсчитать величину остаточных напряжений в материале кольца.

Жесткость колец определяли экспериментально на установке для определения коэффициентов трения в материалах. Работа проводилась в лаборатории кафедры деталей машин СГТУ.

На основании усредненных значений величины изменения наружного диаметра после разрезки колец с учетом усредненной величины жесткости колец, вычислены величины действующих нагрузок и напряжений в материале колец по всем группам образцов.

В таблице 1 приведены значения средних величин контролируемых параметров и остаточных напряжений в кольцах после дополнительного отпуска, ультразвуковой стабилизации на средних режимах и в кольцах контрольной группы.

Таблица 1.

Средние величины контролируемых параметров и остаточных

напряжений после различных видов обработки

 

 

Обработка

Параметры

Изменение наружн.

диаметра

DD, мкм

Изменение некругл.

DV, мкм

Изменение твердости

DH, НRCэ

Разность диаметров до и после разрезки DD, мкм Сила от внутренн.

напряжений, Н

Величина внутренн. напряжений

s, Н/мм2

Отпуск в печи при 150°С в течение 3-х часов  

0.0017

 

0.48

 

-0.19

 

-16.66

 

4.298

 

12.39

Ультразвультразвуковая

обработка:

d=0.3 мм;

А=10 мкм;

t=15 с

 

 

0.00

 

 

0.263

 

 

0.00

 

 

-10.66

 

 

2.455

 

 

7.5

Контрольная группа (не обработанные) 0.0001 0.086 -0.18 -21.6 5.302 15.30

Из таблицы 1 следует, что ультразвуковая обработка обеспечивает лучшие показатели по всем, принятым в программе, контролируемым показателям:

– после ультразвуковой обработки величина наружного диаметра кольца не изменяется, тогда как после дополнительного отпуска увеличивается в среднем на 1-2 мкм;

– по сравнению с дополнительным отпуском после ультразвуковой обработки отклонение от круглости колец уменьшается в 1.8 раза;

– ультразвуковая обработка повышает твердость материала кольца в среднем на 0.18-0.19 единиц HRCэ по сравнению с дополнительным отпуском и контрольной группой колец соответственно;

  – ультразвуковая обработка обеспечивает более эффективное снятие напряжений (в среднем в 1.41 раза) по сравнению с дополнительным отпуском (см. табл. 2).

Следует подчеркнуть, что ультразвуковая релаксация остаточных напряжений обладает удивительным свойством: она обеспечивает одновременно и более эффективное снижение остаточных напряжений и меньшую деформацию детали в процессе релаксации, сохранение ее исходной геометрической формы.

Таблица 2.

Расчет капитальных и эксплуатационных затрат на релаксацию напряжений в деталях типа колец подшипников размером 100х20мм при годовом объеме выпуска 2500 тыс. шт.

п/п

Наименование показателей Печь НКО.10.12.10/4,5М Ультразвуковое оборудование УЗР-12 Эффективность

УЗК-12, %

1. Рыночная цена, руб 910600 720000 26
2. Потребное количество оборудования (2 смены). шт. 2 1 100
3. Занимаемая площадь, кв.м 2,2 1,5 47
4. Производительность при размерах изделий 100х100х20мм, шт/час 420 720 70
5. Потребляемая мощность, кВт 62 3 2000
6. Расход энергии, кВтч/1000шт 146,8 4,2 3400
7. Расход энергии на годовой объем выпуска изделий 2500 тыс. шт. при цене 4,8 руб./кВтч, руб/год 1761792 50112 3400

Ультразвуковая релаксация остаточных напряжений обеспечивает высокий экономический эффект в сфере производства. Так, в настоящее время для релаксации напряжений к деталях типа колец подшипников  применяется низкотемпературный отпуск в электропечах. Но при этом затрачивается большое количество электроэнергии. Ультразвуковая релаксация остаточных напряжений отличается высоким энергосбережением. В качестве примера в таблице 2 приведено сравнение различного вида затрат на релаксацию остаточных напряжений по традиционной и по предлагаемой ультразвуковой технологиям.

Как видно из таблицы, по всем показателям ультразвуковое оборудование превосходит существующее. Резко снижаются капитальные затраты, повышается производительность обработки, снижаются потребные производственные мощности, резко, в несколько десятков раз, снижаются затраты электроэнергии. В результате этого не только для вновь создаваемых предприятий, но и для действующих предприятий экономически выгодно приобрести ультразвуковое оборудование и за счет экономии только одной электроэнергии менее, чем за один год, окупить затраты на его приобретение.

Таким образом, ультразвуковая релаксация остаточных напряжений позволяет эффективно заменить традиционный способ релаксации в печах и обеспечивает существенное снижение трудоемкости изготовления деталей, энергозатрат и повышение качества обработки.

Список литературы:

  1. Патент РФ № 2140842. Бюл. №8 20.03.99 Способ вибростарения деталей. / Королев А.В., Чистяков А.М., Кривега В.А., Моисеев Г.Н.
  2. Патент RU № 2478031 Бюл. №2 27.05.2011.Спобоб релаксации остаточных напряжений. /Королев А.В., Королев А.А.
  3. Патент RU № 2447110 Бюл. №2 10.05.2011. Способ релаксации остаточных напряжений. /Королев А.В., Королев А.А.
  4. Королев А.В., Чистяков А.М., Кривега В.А., Моисеев В.Г. Технология виброобработки деталей подшипников // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Межвуз. науч. сбор. — Саратов, СГТУ, 1997.-с.4-11.
    УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕ-НИЙ В КОЛЬЦАХ ПОДШИПНИКА
    В данной работе приводятся сравнительные результаты исследования эффективности разработанной авторами технологии виброотпуска и традиционной технологии стабилизации внутренних напряжений - низкотемпературного отпуска.
    Written by: Королёв Альберт Викторович, Савран Сергей Александрович, Смирнов Олег Олегович, Верещагин Павел Николаевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/29/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)
    Available in: Ebook