Повышение сопротивления усталости за счёт формирования остаточных напряжений при нарезании резьбы с ультразвуком

УДК 621. 9. 048. 6

ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯУСТАЛОСТИ ЗА СЧЁТ ФОРМИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБЫ СУЛЬТРАЗВУКОМ

© 2016 В.В.Головкин

Самарский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 20.09.2016

Представлены результаты исследования влияния ультразвука на повышение сопротивления усталости резьбовых деталей.

Ключевые слова: усталостная прочность, ультразвук, нарезание резьбы, остаточные напряжения

Ресурс работы резьбовых деталей, у которых впадина резьбы является концентратором напряжений, в значительной степени зависит от различных характеристик сопротивления усталости, на которые, в свою очередь, оказывают существенное влияние величина и характер распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя. На основании проведенных исследований формирования остаточных напряжений в поверхностном слое резьбовых деталей можно установить взаимосвязь с сопротивлением усталости и провести исследования влияния остаточных напряжений на изменение предельной амплитуды цикла нагружения резьбовых деталей, изготовленных с различными по направлению ультразвуковыми колебаниями.

Резьбовые детали, как правило, эксплуатируются при асимметричных циклах со средними растягивающими напряжениями. Выявление связи между средним напряжением от усилия затяжки и предельной амплитудой цикла для резьбовых деталей представляется весьма важным, так как позволяет в значительной мере сократить испытания на усталость.

Благоприятное влияние сжимающих остаточных напряжений проявляется следующим образом. При асимметричном цикле со средними сжимающими напряжениями предельная амплитуда ста увеличивается с ростом среднего сжимающего напряжения, а если напряжения от внешних нагрузок в детали меняются по симметричному циклу и в поверхностном слое детали действуют постоянные сжимающие остаточные напряжения, то результирующие суммарные напряжения изменяются по асимметричному циклу со средним сжимающим напряжением (рис. 1).

С помощью специальной методики [1] были проведены исследования влияния остаточных напряжений, сформированных во впадинах резьбы при её формообразовании с наложением различ-

Головкин Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспортные процессы и технологические комплексы». E-mail: valeriigolovkin1962@mail.ru

ных по направлению вынужденных ультразвуковых колебаний, на предельную амплитуду цикла.

Экспериментальные результаты могут быть обработаны по этому методу с ис-пользованием соотношения вида:

а

= a_i ~у{оосп +ат )

где у - феноменологический параметр; ста -предельная амплитуда цикла; стт - среднее растягивающее напряжение; стост - остаточные напряжения.

Однако для установления связи между остаточными напряжениями и сопротивлением усталости необходимо учесть следующие факторы:

- диаграмму предельных амплитуд ста-стт для материала и реальной детали с учетом концентрации напряжений и масштабного фактора;

- коэффициент у для различных случаев на-гружения;

- остаточные напряжения, которые следует принимать в расчетах (максимальные, на поверхности, средние или др.).

В данной работе использована методика построения диаграммы предельных амплитуд цикла напряжений резьбовых деталей с учетом остаточных напряжений, действующих в наиболее нагруженном сечении детали, в которой за основу принята видоизмененная диаграмма Ганна. В осях стm-стa строится диаграмма предельных амплитуд цикла для материала резьбового образца (рис. 2). По оси ста откладывается предел выносливости материала при симметричном цикле в случае растяжения-сжатия ст-1 = ОА, по оси ст1л - сопротивление разрыву материала БК = ОВ. Для ограничения работы материала по текучести по оси абсцисс откладывается предел текучести стТ = ОБ и проводится прямая БС под углом 45° к оси абсцисс. Тогда АС Б - диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений материала резьбового образца, учитывающая как усталость, так и текучесть.

Затем строится диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений для резьбо-вой детали без учета остаточных напряжений во впадинах резьбы.

Во впадине концентратора действует переменное напряжение от внешних сил (рис. 3).

м

м

Рис. 1. Сложение остаточных напряжений и рабочих напряжений

¿/у Ов

Рис. 2. Диаграмма предельных амплитуд цикла

От

Рис. 3. Напряжения, действующие во впадине концентратора

Наличие концентратора уменьшает предел выносливости материала при симметричном цикле ст-1 в Кп раз, где Кп - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

При этом считается, что шероховатость поверхности и размеры поперечного сечения резьбовой детали такие же, как и образца, на котором определяли ст-1 , и эффективный коэффициент

концентрации не зависит от асимметрии цикла. По оси ординат откладываются ст_1/Кп= ОАр и из точки А проводится прямая А1С1 параллельно АВ до пересечения с прямой 01С1, ограничивающей работу резьбовой детали по текучести. Здесь ОБ1 = стТ/ап, где аа - теоретический коэффициент концентрации напряжений. Для прямых А1С1 и Б1С1 можно записать уравнения через известные механические характеристики материала в виде

а а

— Ка + —Ка — 1,

а-1 ^К

жения А2С2, а для учета действия растягивающих

а

ат

-а„ +

а

аа — 1.

ат

т ^ т

Точка С1 характеризует начало локальной текучести в наиболее нагруженном сечении резьбовой детали, то есть в области впадины резьбы. Решая совместно уравнения, можно определить среднее напряжение ат, при котором начинается локальная текучесть:

аа

ат —

^ (ат -а_1 -а) _

аа^к -а-1)

До тех пор, пока напряжения во впадине резьбы не достигнут предела текучести материала аТ по всему опасному сечению детали (рис. 4, точка К), предельная амплитуда аПа не будет зависеть от среднего напряжения ат, поэтому диаграмма предельных амплитуд цикла резьбовой детали без остаточных напряжений опишется ломаной А1С1КБ.

Далее строится диаграмма предельных амплитуд цикла напряжений для резьбовой детали с остаточными напряжениями, действующими в ее опасном сечении. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости детали отождествляется с влиянием средних напряжений цикла. Тогда для учета действия сжимающих остаточных напряжений, увеличивающих предельную амплитуду, левую часть диаграммы следует перемещать параллельно вверх до поло-

остаточных напряжений - вниз до положения А3С3. Следовательно, для резьбовой детали с сжимающими остаточными напряжениями диаграмма предельных амплитуд цикла будет представлена ломаной А2С2КБ, с растягивающими - ломаной А3С3КБ.

Для построения диаграммы предельных амплитуд цикла детали с учетом оста-точных напряжений необходимо решить вопрос о том, на какую величину следует переместить прямую А1С1. Простой перенос точки С1 по оси абсцисс на величину максимальных остаточных напряжений неправомерен, так как не учитывает характер распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя впадин резьбы и масштабный фактор. Поэтому было предложено перемещать точку А1 по оси ординат на величину приращения предела выносливости детали с концентратором при симметричном цикле Аа_ = А1А2 (А1А3), используя критерий среднеин-тегральных остаточных напряжений аОСт . Таким образом, приращение предела выносливости можно определить по формуле

Аа , — ш\а ,

-1 Т а осту

где - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости при симметричном цикле, аост - среднеинтегральные остаточные напряжения, определяемые по формуле

а ост —

ж

2 1 а2

лр,

где а2 (р) - осевые остаточные напряжения резьбовой детали в опасном сечении, р — у / - относительное расстояние от поверхности впадин резьбы до текущего слоя (рис. 5), выраженное в долях ^ (^ - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости). Следует отметить, что критерий аост учитывает влияние на предельную амплитуду цикла как характера распределения остаточных напряжений

Рис. 4. Диаграмма предельных амплитуд цикла

2

Сапа д.

У

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений на дне трещины

в опасном сечении, так и размеров поперечного сечения детали.

Приращение предельной амплитуды ДстКа за счет остаточных напряжений во впадинах резьбы в резьбовой детали при любом среднем напряжении стт определяется зависимостью:

^стКа _ у

где У™ - коэффициент влияния остаточных напряжений на предельную амплитуду при среднем

напряжении стт. Коэффициент у'™' при стт> стТт можно вычислить по формуле

—(т' — ст , (ст —ст'

X _ хр т т)

сто

При стт < ст коэффициент у( необходимо положить равным Тст, что следует из диаграмм предельных амплитуд цикла напряжений резьбовой детали без остаточных напряжений и с остаточными напряжениями (см. рис. 4).

По результатам исследования остаточных напряжений, полученных при нарезании резьбы с различными по направлению УЗ колебаниями (рис. 6), с помощью методики [1], была проведена оценка усталостных характеристик резьбовых деталей из титанового сплава ВТ 16.

По данной методике была получена, представленная на рис. 7, диаграмма предельных амплитуд цикла болтов из сплава ВТ16, изготовленных при наложении различных ультразвуковые колебаний. При этом использовались следующие механиче-

Рис. 6. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1, ВТ-16: 1 - резание с тангенциальными колебаниями; 2 - обычное резание; 3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями

Рис. 7. Диаграмма предельных амплитудцикла болтов из сплава ВТ 16: 1 - обычное резание; 2 - с тангенциальными колебаниями; 3 - с радиальными колебаниями; 4 - с осевыми колебаниями

ские характеристики сплава ВТ 16: ав=1180 МПа, а0 2 = 920 МПа, 5 = 19%, ^=67%, Бк = 1900 МПа, а-1 =480 МПа. Для нагруженной резьбы М6 при радиусе впадин р=0,17 мм теоретический коэффициент концентрации напряжений аа = 6,2, а эффективный коэффициент концентрацииКа былпринят Ка =6. Следует отметить, что значения аа и Ка близки, и поэтому можно принять Ка = аа, что приведет к расчету в запас прочности с несущественным отклонением. Диаметр опасного сечения детали d = 4,7 мм, что соответствует диаметру впадин резьбы М6,а коэффициент Ц/а для болтов из сплава ВТ 16 составляет у/а =0,11.

Из представленных данных видно, что при нарезании резьбы на образцах из титанового сплава ВТ16 имеет место увеличение предельной амплитуды цикла в случае обработки с радиальными и осевыми вынужденными ультразвуковыми колебаниями по сравнению с обработкой без использования ультразвука. Введение в зону резания тангенциальных колебаний привело к уменьшению предельной амплитуды цикла. При ат = 0 предельная амплитуда цикла аа в зависимости от условий обработки распределяется следующим образом: аа = 130 МПа - обычное резание; аа = 100 МПа - резание с тангенциальными колебаниями;

аа = 200 МПа - резание с осевыми колебаниями; аа = 220 МПа - резание с радиальными колебаниями.

Из приведённых на рис. 7 данных видно, что при нарезании резьбы с осевыми или радиальными УЗ колебаниями значения предельной амплитуды цикла напряжений в 1,5- 2.2 раза больше, чем при обработке с тангенциальными УЗ колебаниями или без ультразвуковых колебаний.

Таким образом, предел выносливости изменяется прямо пропорционально величине остаточных напряжений, и, следовательно, изменяя технологию изготовления резьбы можно влиять на предел выносливости, который может изменяться в широких пределах, в данном случае от 100 до 220 МПа, т.е. почти в 2 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов В. Ф., Кирпичев В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений: Моногр. Самара: Изд-во СНЦ, 2008. 64 с.

2. Головкин В.В., Ромашкина О.В. Влияние ультразвука на процесс нарезания резьбы и работоспособность резьбовых деталей: Моногр. Самара: Изд-во СНЦ, 2012. 112 с.

IMPROVEMENT OF FATIGUE RESISTANCE DUE TO FORMATION OF RESIDUAL STRESSES WHEN THREADING WITH ULTRASOUND

© 2016 V.V. Golovkin

Samara State Technical University

The results of studies of the effect of ultrasound on the increase in the fatigue resistance of readed parts. Key words: fatigue strength, ultrasound, threading, residual stress.

Valery Golovkin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Transport Processes and Technological Complexes Department. E-mail: valeriigolovkin1962@mail.ru