Экспериментальная проверка напряженно-деформированного состояния пружин сжатия при выполнении упрочняющих операций

УДК 621.73

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРУЖИН СЖАТИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ УПРОЧНЯЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ

Ю.А. Лавриненко

Приведена разработанная методика количественной оценки величины остаточных напряжений на поверхности пружины клапана двигателя автомобилей после упрочняющих операций: термоосадки при повышенной температуре, дробеметной обработки и трехкратной холодной осадки.

Ключевые слова: пружина клапана; дробеструйная обработка; термоосадка; холодная осадка.

В процессе изготовления пружины клапана двигателя автомоби-лейпроходят три упрочняющих операции: термоосадку при повышенной температуре, дробеметную обработку и трехкратную холодную осадку [1]. После упрочняющих операций в пружине создается сложное напряженно-деформированное состояние (НДС) с остаточными напряжениями на поверхности пружины, повышающими сопротивление усталости и стойкость к температурной релаксации нагрузки.

Вместе с тем, в известной литературе отсутствуют методики количественной оценки величины остаточных напряжений на поверхности пружины. Данная статья посвящена экспериментальной проверке НДС пружины при выполнении упрочняющих операций.

Метод травления пружин и контрольной пластинки. Для оценки глубины расположения отрицательных остаточных напряжений сдвига на поверхности витка пружины после термоосадки, т.е. для уточнения относительного радиуса, при котором напряжения переходят в остаточные положительные, образцы пружин подвергали травлению в горячей, концентрированной соляной кислоте при температуре £100°С. Общее время травления составило около 3 ч. На рис. 1 представлены результаты изменения высоты пружины Н0 в зависимости от уменьшения диаметра сечения витка. При замерах длины пружины учитывалось её уменьшение за счёт протравливания торцевых участков.

Пружина из материала Oteva 60 была подвергнута только термоосадке, пружина из проволоки 70ХГФА-Ш - подвергнута термоосадке и дробемётному наклёпу при прогибе контрольной пластинки 5=0,25.

Как видно из графика на рис.1 стравливание поверхностных наклёпанных слоев у пружины, подвергнутой дробемётной обработке, не приводит к значительным изменениям высоты.

И только после стравливания наклёпанного слоя значительно изменяется высота. Объясняется это тем, что остаточные касательные напряжения в наклёпанном слое почти исчезают. И, наоборот, у пружины из про-

444

волоки «Oteva», подвергнутой только термоосадке, в поверхностных волокнах сечения созданы значительные остаточные отрицательные касательные напряжения. При стравливании первых же слоев самоуравновешенная эпюра остаточных напряжений теряет наиболее важную часть и происходит увеличение высоты пружины за счёт уменьшения остаточного кручения.

— - — -- > Ote <J .'а

ЖВ "ФАЛЛ / / \ \ х \

2 22 Td IS 3 Ti Т.Ь ¿.ны2

Рис.1. Изменение высоты пружины 2112 в процессе травления:

сталь аеуа 60-после термоосадки; сталь 70ХГФА-Ш - после термоосадки и дробеметной обработки

Аналогичной обработке в горячей кислоте подверглись и контрольные пластинки (свидетели уровня наклёпа).

Контрольная пластинка, закреплённая на жёстком основании, подвергнутая дробемётной обработке с одной стороны, после освобождения изгибается. Радиус кривизны зависит от полученной пластической деформации, распределённой по глубине нагартованного слоя.

Если снять некоторый слой металла (например, травлением в кислоте), то радиус кривизны увеличится, т.к. часть пластической деформации удалена вместе с материалом. Серия таких операций позволяет построить зависимость р(1) (р-радиус кривизны, и толщина пластинки).

На практике измеряют не радиус кривизны, что затруднительно, а стрелу прогиба И пластинки с помощью приспособления с индикатором часового типа.

Из геометрических построений можно определить зависимость между радиусом сферы р и прогибом пластины к

2psin

arccos

г р-

a 2 + b 2 = c,

Р

где с - диагональ прямоугольника, образованного опорными точками приспособления.

Были изучены не только глубина наклёпа 8и но и влияние твёрдости пластинки ИЯС, на глубину наклёпа и её прогиб h (рис.2). Для ускорения травления кислота также нагревалась до температуры £100 °С. При этой температуре остаточные напряжения практически не релаксируют.

Рис.2. Пластинка для контроля интенсивности наклепа

График изменения прогиба h пластинки в зависимости от изменения её толщины S приведён на рис. 3 Общее время травления составило примерно 3 ч.

11

мм

02

0.1

ЖС'Э=41

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 1.1 1.2 1.3 3, мм

Рис.3. Зависимость прогиба пластины Л от ее толщины £

и твердости при травлении в кислоте; д— глубина наклепа

Рассматривая результаты эксперимента, можно сделать вывод о том, что изменение твёрдости пластинки значительного влияния на её прогиб не оказывает. И этому есть простое объяснение. В работах [3 - 5] показано, что, чем прочнее материал, тем меньше глубина наклёпа, но выше напряжения двухстороннего сжатия. Например, на нетермообработанных сталях глубина наклёпа может быть до 0,8 мм, а остаточные напряжения ох »о2 = 40... 45 кгс/мм . С увеличением прочности и твердости до параметров, соответствующих пружинной проволоке, глубина наклёпа дн уменьшается, а напряжения ох »&2» 100кгс/мм (1000 МПа).

Из рис.3 и таблицы видно, что пластинки полностью выпрямятся при уменьшении толщины с 1,32 до 0,95...0,85 мм, что соответствует глубине наклёпа дн =0,18...0,24 мм.

Исследование остаточных напряжений от дробеметной обработки рентгеновским методом. Из партии пружин клапана 2108-1007020, изготавливаемых из одного мотка проволоки 70ХГФА-Ш с диаметром проволоки 3,6 мм, были отобраны образцы после дробеметной обработки.

446

Прогиб контрольной пластинки при наклёпе составил h =0,41 мм. Время наклёпа - 16 минут, дробь стальная литая, диаметром 0,5 мм, скорость дроби ~ 65 м/с, т.е. пружины были наклёпаны даже сверх допуска.

Зависимость первоначального прогиба к пластинки от твёрдости _ИЯСЭ и изменения прогиба от глубины травления_

ИЯСЭ =46 ИЯСЭ=41 ИЯСЭ=37

Б И Б И Б И

1,32 0,275 1,32 0,300 1,32 0,310

1,26 0,250 1,25 0,285 1,26 0,285

1,14 0,150 1,14 0,225 1,13 0,235

1,08 0,100 1,07 0,180 1,07 0,195

1,03 0,060 1,03 0,145 1,02 0,160

0,97 0,030 0,99 0,097 0,98 0,115

0,94 0,025 0,95 0,065 0,93 0,070

0,91 0,010 0,915 0,050 0,90 0,055

0,83 0,005 0,84 0,025 0,82 0,030

Практика показала, что перенаклёп пружин не является браковочным признаком, динамическая прочность при этом не уменьшается. Образцы пружин были разделены на три группы с разной последующей термообработкой:

- 1 группа - без термообработки.

- 2 группа - отпуск при 220 °С в течение 30 мин (по техпроцессу).

- 3 группа - отпуск при 350°С в течение 15 мин в шахтной печи, т.е. явный перегрев, при котором возможна серьёзная релаксация остаточных напряжений.

Пружины были отправлены на фирму "Бо^б" (Франция) - изготовитель рентгеновских дифрактомеровХБТКБББ 3000 для определения величины и глубины распространения остаточных напряжений. Вышеуказанное оборудование позволяет определить рабочие и остаточные напряжения на поверхности металла, в том числе и при поверхностном пластическом деформировании (ППД - обработке) с целью упрочнения. Метод определения напряжений - дифракцией рентгеновских лучей, что позволяет получать информацию только на поверхности, т.е. на глубине нескольких шагов кристаллической решётки атомов. Замер напряжений на глубине осуществлялся пошаговым снятием материала химическим травлением. Снятие части материала с напряжениями вызывает некоторое изменение эпюры напряжений, т.к. она снова становится равновесной по сечению. Для уточнения исходных напряжений производился расчёт по математическим моделям, изложенным в нормали Бае1784а. Итоговая погрешность результатов измерений напряжений составила ±40 МПа, или ~5% от максимального уровня.

Результаты исследований приведены на рис.4, а, б. Эпюры напряжений приведены для направления вдоль проволоки витка

В поперечном направлении (а2) эпюры напряжений отличаются незначительно, поэтому они не приведены.

а

400

Профили напряжений (Наружный виток) — 0"

250

Глубины {цт1

300

Дробемет.

__ Дробем.-Нтгуск при .220°

б

Рис. 4. Профили напряжений сжатия после дробеметной обработки:

а - наружные волокна витка; б - внутренние волокна витка

Заключение

Анализируя результаты исследований, проведенных методом травления пружин и пластин, а также рентгеновским методом, были сделаны следующие выводы:

1. Изменение твердости пластинки значительного влияния на её прогиб при травлении не оказывает.

2. Глубина наклепанного слоя, определенная методом травления пластинки, составила 8=0,18...0,24 мм.

3. Максимальные напряжения двухстороннего сжатия после дробеметной обработки и холодной осадки, определенные рентгеновским методом, составила 600...750 МПа, что соответствует 38...45 % от предела текучести материала.

2. Остаточные напряжения на внутреннем волокне практически такие же, как на внешнем, т.е. и внутренние волокна пружин также наклёпаны до насыщения.

3. Глубина остаточных напряжений, определенная рентгеновским методом, составляет 5 =0.18... 0.25 мм, что соответствует результатам экспериментов и расчётам, приведённых в работе [2].

4. Последующая термообработка при 220°С в течение 30 мин не приводит к существенному изменению остаточных напряжений ни по их величине, ни по глубине их распространения.

5. Последующая даже кратковременная термообработка при завышенных температурах (350°С, время обработки - 15 мин) приводит к значительному уменьшению остаточных напряжений (примерно в 5 раз), что повышает возможность роста усталостных трещин и уменьшает динамическую прочность пружин.

Список литературы

1. Лавриненко Ю.А., Белков Е.Г., Фадеев В.В. // Упрочнение пружин. Издательский дом «Бизнес-Партнёр», 2002. 124 с.

2. Лавриненко Ю.А. Математическая модель процесса упрочнения пружин клапана двигателей автомобилей // Заготовител.пр-ва в машиностроении. 2017. Т. 15. № 7. С. 302-310.

3. HaldexGarphyttan Wire/ Reklam Center AB, 6335-3, Vasteras, ' Sweden, 5000//VastraArosTryckeri.1996-09. 20с.

4. Саверин М.М. Дробеструйный наклёп. М.: Машгиз, 1955. 136 с.

5. Остроумов В.П. Карпунин В. А. Повышение динамической прочности пружин. Урало-Сибирское отделение Машгиза, 1961. 114 с.

Лавриненко Юрий Андреевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Москва, ФГУП «НАМИ»

EXPERIMENTAL TESTING OF MODE OF STRESS AND DEFORMA TION OF SPRINGS

AFTER HARDENING

Yu.A. Lavrinenko

New method of developing of testing of mode of stress and deformation on surface of valve spring of automobile motor after hardening processes: thermal upsetting, cloud burst hardening and triple cold upsetting.

Key words: valve spring, cloud burst hardening, thermal upsetting, cold upsetting.

Lavrinenko Yuriy Andreevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Moscow, Federal State Unitary Enterprise «NAMI»