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:
- Патент РФ № 2140842. Бюл. №8 20.03.99 Способ вибростарения деталей. / Королев А.В., Чистяков А.М., Кривега В.А., Моисеев Г.Н.
- Патент RU № 2478031 Бюл. №2 27.05.2011.Спобоб релаксации остаточных напряжений. /Королев А.В., Королев А.А.
- Патент RU № 2447110 Бюл. №2 10.05.2011. Способ релаксации остаточных напряжений. /Королев А.В., Королев А.А.
- 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.[schema type=»book» name=»УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕ-НИЙ В КОЛЬЦАХ ПОДШИПНИКА» description=»В данной работе приводятся сравнительные результаты исследования эффективности разработанной авторами технологии виброотпуска и традиционной технологии стабилизации внутренних напряжений — низкотемпературного отпуска.» author=»Королёв Альберт Викторович, Савран Сергей Александрович, Смирнов Олег Олегович, Верещагин Павел Николаевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-29″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]