Особенности напряженно-деформированного состояния прессовых соединений с использованием деталей из порошковых материалов

УДК 621.762

ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2009 г. А.В. Бабец, СА. Дебеева, Д.Б. Волжин, А.С. Яковенко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Представлены результаты экспериментальных исследований качества соединения порошковых втулок различной толщины с компактными деталями. Выявлены закономерности распределения остаточных напряжений Iрода при получении соединений с различными натягами и толщиной стенки. Описана компьютерная модель получения данного вида соединения путем применения метода конечных элементов.

Ключевые слова: порошковая деталь; напрессовывать; пористость; напряжения; деформация; моделирование; втулка.

The results of experimental researches of quality connection of powder bush of a various thickness with compact details have been represented. Laws of distribution of residual pressure of I sort are revealed at reception of connections with various tightness and thickness of a wall. The computer model of reception of the given kind of connection by application of a method offinite elements is described.

Keywords: powder detail; to press on; porosity; stress; strain; modeling; bush.

На сегодняшний день актуальным вопросом в изучении поведения пористых порошковых материалов является вопрос прочности соединения их с компактными деталями, посредством натяга. Свойства порошковых материалов обусловливаются в значительной степени наличием контролируемой пористости. Вопросы прочности и стойкости пористых деталей, связанные с долговечностью узлов и механизмов, должны решаться с учетом физико-механического состояния материалов в поверхностном слое, находящемся в зоне контакта. Ранее показано [1], что от состояния поверхностного слоя, образовавшегося в процессе получения прессового соединения, зависит не только его прочность и износостойкость, но и качество. На качество соединения влияет структура, свойства материала, а также форма и геометрические размеры изделия, например высота и толщина. Для обеспечения прочности соединения «порошковая деталь - компактная деталь» необходимо задавать оптимальные значения натягов конкретно для каждого материала и типоразмера втулки, используемых для обеспечения неподвижного соединения наружной поверхности втулки с обоймой (запрессовка) или внутренней (втулка на валу).

Методика проведения эксперимента по изучению влияния углерода, масштабного фактора и величины натяга на прочность неразъемного соединения «порошковая деталь - компактная деталь» заключалась в напрессовке спеченных пористых образцов на компактные валы и запрессовке в обоймы с различной величиной натяга Ы0 = 0,2...0,8 мм и последующей распрессовке соединений. В процессе экспериментов

фиксировались максимальные усилия напрессовки (запрессовки) Рнп (Рзп) и распрессовки Ррп. Прочность прессового соединения, как и в случае с компактными материалами, оценивалась отношением усилия рас-прессовки Ррп к усилию напрессовки (запрессовки) Рнп

(Рзп).

Усилия напрессовки (запрессовки) и распрессовки возрастают по мере увеличения содержания углерода, увеличения толщины стенки втулки и натяга, уменьшения пористости. Максимальное усилие Рнп = 64 кН наблюдалось у втулок, напрессованных на компактный вал с натягом 0,8мм и толщиной стенки = 12 мм, содержанием углерода в составе материала 0,6 %. При всех натягах и толщинах стенки втулки с увеличением пористости от 10 до 25 % усилия напрессовки Рнп и коэффициент прочности соединения Кнп уменьшались, за исключением втулок с толщиной стенки 5 = 2 мм. При напрессовке на вал порошковой втулки с толщиной стенки 2 мм и пористостью 25 % наблюдалось разрушение образца при натягах более 0,4 мм.

При запрессовке порошковой пористой втулки в стальную обойму происходит уменьшение не только ее наружного диаметра, но и внутреннего, которое составляет при натяге 0,8 мм от 25 до 54 % толщины стенки для тонкостенных образцов и от 4 до 10 % для толстостенных. Из этого следует, что усилия запрессовки расходуются, главным образом, на общую деформацию всей втулки, что приводит к недостаточному уплотнению поверхностного слоя образца и ослаблению прочности сопряжения его с обоймой. В большей степени такая закономерность наблюдалась у тонкостенных образцов. Прочность посадки К при

малых натягах (0,2 - 0,4 мм) для толстостенных порошковых втулок с пористостью 10 - 15 % выше (0,70), чем у образцов с более высокой пористостью

(0,60).

Изменение пористости и механических свойств металлического каркаса в результате пластической деформации порошкового материала приводит к изменению его упругих свойств, определяющих качество прессового сопряжения, которое оценивается коэффициентом прочности соединения К. В свою очередь, величины упругих, а следовательно, пластических деформаций при одинаковом химическом составе и постоянной пористости определяются объемом уплотненного материала, участвующего в общей деформации, который зависит от масштабного фактора [2].

Анализируя полученные данные, можно отметить, что и при напрессовке, и при запрессовке с возрастанием натяга пластические деформации как по наружному, так и по внутреннему диаметру возрастают. При напрессовке втулок на вал с уменьшением толщины стенки пластические деформации по наружному диаметру е°пл и по внутреннему е пл увеличиваются при одинаковом значении пористости и при всех значениях натяга. Большой диаметр втулки при малой ее толщине приводит к неоднородности деформации между периферийными и центральными объемами. У толстостенных образцов ^ = 8 - 12 мм) пластические деформации по наружному диаметру очень малы по сравнению с деформациями, полученными на внутренних поверхностях втулки. При переходе от внутреннего диаметра к наружному, пластические деформации постепенно рассеиваются и при большой толщине стенки процесс деформирования угасает, не распространяясь на внешний объем образца.

Увеличение содержания углерода приводит к уменьшению пластических деформаций. При напрес-совке (запрессовке) образцов с различным содержанием углерода пластические деформации значительно меньше, чем на втулках, полученных из спрессованных и спеченных железных порошков.

При получении соединения «порошковая деталь -компактная деталь», в результате действия нормальных и касательных сил в зоне деформирования, возникают напряжения I рода. Эта система сил обусловливает протекание пластической деформации материала в поверхностных слоях, уплотняя и упрочняя их. По результатам изменения диаметров образцов после разрезки и снятия слоев материала были построены деформационные кривые, с помощью которых можно предварительно судить о знаке остаточных напряжений [3].

В результате уплотнения поверхностного слоя пористых втулок были получены более высокие, чем у исходных образцов, значения остаточных напряжений -сжимающих по поверхности и растягивающих в среднем сечении. Исключение составляют втулки с толщиной стенки 4 мм, на деформированной поверхности которых возникают растягивающие напряжения, а затем на глубине 80 - 100 мкм - сжимающие.

С увеличением толщины стенки втулки сжимающие напряжения по деформируемой поверхности возрастают. По сравнению с ненагруженными образцами у втулок с толщиной стенки 10 и 12 мм распределение остаточных напряжений практически не отличается. Увеличение сжимающих напряжений у деформируемой поверхности изменяется от 150 МПа (натяг 0,2 мм) до 215 МПа (натяг 0,8 мм), которые плавно переходят в растягивающие на глубине 250 - 600 мкм. У образцов с толщиной стенки 6 мм растягивающие напряжения возрастают, перемещаясь в сторону не-деформируемой поверхности.

Сопоставление результатов рентгенографического анализа показало, что расчет напряжений I рода, по результатам экспериментов с разрезкой образцов и снятием слоев механическим способом, по знаку и величине совпадают.

Исследование микроструктурных изменений, произошедших в пористом материале при его деформировании, проводилось на образцах, изучение которых представляло наибольший интерес. Исходное состояние материала на основе железного порошка характеризуется мелкозернистой структурой и относительно равномерным распределением крупных пор. Поры в основном разъединены и изолированы друг от друга и представляют собой замкнутые полости. При детальном рассмотрении микрошлифов было установлено, что после напрессовки порошковых втулок на компактный вал с натягом 0,2 мм число и величина пор уменьшаются и они достаточно равномерно распределены по всей поверхности микрошлифа. При увеличении натяга до 0,8 мм вдоль уплотненной поверхности (~50 мкм) количество и размер пор заметно уменьшается. Имеющиеся поры принимают вытянутую форму в направлении течения материала.

Для более глубокого изучения процессов, происходящих в материале порошковой втулки в момент сопряжения ее с компактным валом, было проведено математическое моделирование, позволившее оценить степень распределения напряжений в соединении.

Для решения поставленной задачи использовали метод конечных элементов программного пакета

лтж.

Анализ полученных результатов при компьютерном моделировании прессового соединения «стальной вал - порошковая втулка», позволил выявить важные закономерности распределения напряжений по толщине стенки втулки.

Расчет показал, что для всех типов втулок концентрация напряжений наблюдается у поверхности контакта, а их рассеивание - в направлениях, свободных от напрессовки. В процессе напрессовки с увеличением толщины стенки и натяга действие давлений со стороны втулки распространяется и на вал. Образующиеся при этом напряжения возрастают при увеличении толщины стенки и натяга. Неравномерность распределения напряжений по толщине объясняется неравномерностью соответствующих контактных давлений. Наибольшие значения напряжения оэквтах достигаются на начальном этапе внедрения вала во втулку в

месте заходного конуса. С уменьшением толщины стенки втулки напряжения смещаются к недеформи-руемой поверхности, постепенно захватывая весь объем втулки и имеют наибольшие значения у втулок с толщиной стенки 2 мм.

Характер распространения напряжений при использовании компактных деталей при моделировании аналогичного процесса отличается. Результаты расчета показали, что по обе стороны границы раздела - по телу втулки и по телу вала - напряжения уменьшаются в равной степени при удалении от нее.

Выводы

Прочность неразъемного соединения «порошковая деталь - компактная сталь» возрастает с увеличением содержания углерода, уменьшением пористости и увеличением толщины стенки сопрягаемой порошковой детали. Прочность посадки при этом обеспечивается увеличением натяга, сопровождающегося смятием и последующим уплотнением поверхностных слоев материала сопрягаемых поверхностей. Увеличение натяга и уменьшение толщины стенки втулки

Поступила в редакцию

приводит к росту пластических и упругих деформаций по наружному и по внутреннему диаметрам, при всех значениях пористости и содержании углерода в материале.

Напряженно-деформированное состояние процесса напрессовки пористых изделий на компактный вал может быть описано с помощью прикладных компьютерных программ.

Литература

1. Богословская Д.А. Теоретические основы формирования прессовых соединений из порошковых и компактных деталей и факторы, обеспечивающие их требуемое качество : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2006.

2. Прочность неразъемных соединений «порошковая деталь

- компактная сталь». Ю.Г. Дорофеев [и др.] // Порошковая металлургия : Республиканский межвед. сб. науч. тр.. Выпуск 6-й. г. Минск, Беларусь, 2005г.

3. Дебеева С.А. Влияние остаточных напряжений I рода на надежность прессового соединения «порошковая деталь

- компактная деталь» // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. № 8. С. 26-30.

4 июня 2009 г.

Бабец Александр Васильевич - канд. техн. наук, преподаватель, кафедра «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Дебеева Светлана Александровна - соискатель, кафедра «Основы конструирования машин», ассистент кафедры «Инженерная и компьютерная графика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел.: 8-86350-5-13-37

Волжин Дмитрий Борисович - канд. техн. наук, преподаватель, кафедра «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Яковенко Александр Сергеевич - аспирант, кафедра «Материаловедение и технология материалов», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Babets Alexander Vasilevich - Candidate of Technical Sciences, department of Technology of materials, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Debeeva Svetlana Aleksandrovna - competitor, department «Engineering and computer drawing», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Volzhin Dmitry Borisovich - Candidate of Technical Sciences, department of Technology of materials, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Yakovenko Alexander Sergeevich - post-graduate student department of Technology of materials, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).