Совершенствование технологического процесса изготовления колец подшипников качения путем бесцентровой микродинамической обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Яковишин Александр Сергеевич

• Яковишин Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Яковишин Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ МАШИН

1.1 Современные способы и технические средства для удаления остаточных напряжений

1.2 Обзор существующих способов вибромеханической релаксации остаточных напряжений

1.3 Моделирование механизма вибрационного старения

Выводы

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСЦЕНТРОВОЙ МИКРОДИНАМИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1 Предлагаемый способ и устройство для удаления остаточных напряжений и стабилизации геометрических параметров колец подшипников

2.2 Исходные данные и принятые ограничения

2.3 Моделирование процесса релаксации остаточных напряжений

2.4 Алгоритм и программа компьютерного моделирования

2.5 Анализ влияния технологических факторов на потребное время обработки и потенциальную энергию остаточных напряжений

Выводы

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Объект исследований

3.2. Универсальный испытательный стенд

3.3 Средства измерения

3.3 Методика рационального планирования экспериментов и обработки

результатов

Выводы

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ МИКРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ

КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ

4.1 Исследование влияния основных технологических факторов на остаточные напряжения

4.2 Исследование влияния технологических факторов микродинамической стабилизации на отклонение от круглости

4.3 Проверка адекватности теоретических зависимостей

4.4 Методика выбора рациональных условий микродинамической стабилизации

4.5 Выводы

ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Практическая значимость полученных результатов

5.2 Промышленный образец автомата для бесцентровой релаксации остаточных напряжений колец подшипников

5.3 Производственные испытания предложенной технологии релаксации остаточных напряжений

5.4 Технико-экономическая эффективность использования предложенной технологии в промышленности

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А: Журнал планирования эксперимента по определению

зависимости деформации колец от влияющих факторов

Приложение Б: Журнал планирования эксперимента по определению

зависимости отклонения от круглости колец от влияющих факторов

Приложение В: Журнал планирования эксперимента по определению зависимости СКО отклонения от круглости колец от влияющих факто-

ров

Приложение Г Протокол испытаний на ОАО "ЕПК-Саратов"

Приложение Д Акт внедрения на ОАО "ЕПК-Саратов"

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В точном машиностроительном производстве значительную долю составляют подшипники качения. Кольца подшипников качения обладают малой жесткостью, поэтому они могут потерять свою исходную точность, если в них действуют остаточные напряжения. В связи с этим в технологической документации на изготовление всех типоразмеров подшипников качения предусмотрена операция релаксации остаточных напряжений и стабилизации геометрических параметров колец подшипников. Осуществляется она путем применения низкотемпературного отпуска при температуре 160-300°С и выдержки при этой температуре в течение 3-12 часов.

К недостаткам низкотемпературного отпуска относятся большие затраты энергии, низкая производительность, высокая стоимость оборудования, изменение формы и размеров детали в процессе обработки, что вызывает необходимость использования последующей механической доработки.

В современных условиях высокой рыночной конкуренции недостатки термического метода стабилизации вызывают необходимость создания более эффективных инновационных технологических методов релаксации остаточных напряжений и стабилизации геометрических параметров изделий.

Поэтому тема диссертации, направленная на совершенствование технологического процесса изготовления колец подшипников качения на основе применения новой энергоэффективной технологии - бесцентровой микродинамической обработки, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Одним из эффективных способов релаксации остаточных напряжений является ультразвуковая обработка. Известны многочисленные исследования в области ультразвуковой обработки отечественных и зарубежных авторов:

С.И. Агапова, О.В. Абрамова, Н.В. Бекренева, Л. Бергмана, Б.М. Бржозовского, В.Н. Винниченко, Е.А. Житникова, О.В. Захарова, Ю.З. Лесюка, В.Ф. Казанцева, А.В. Королева, А.И. Маркова, М.А. Маргулиса, Т. Мейсона, И.М. Муха, В.Е. Накорякова, Б.Г. Новицкого, А.П. Петровского, Л.Д. Розенберга, M. Amirthalingam, T. Buslaps, H. Gao, R. Dutta, J. Kleiman, D. Kumabe, R. Huizenga, M. Hermans, B. Houston и многих других. Выполненные исследования позволили раскрыть механизм ультразвуковой обработки в различных областях применения, показать его высокую практическую эффективность.

Применительно к исследованию метода релаксации остаточных напряжений в кольцах подшипников качения наибольшего внимания заслуживают работы А.В. Королева, М.Г. Бабенко, С.В. Слесарева. В работах этих авторов показано, что ультразвуковая релаксация остаточных напряжений позволяет существенно сократить время выполнения операции стабилизации геометрических параметров колец подшипников по сравнению с термическим методом, резко уменьшить затраты энергии, обеспечить более стабильные результаты обработки. К сожалению, в настоящее время отсутствуют достаточно надежные технические средства для применения ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в прецизионном подшипниковом производстве.

Целью диссертационной работы является стабилизация геометрических параметров колец подшипников качения на основе бесцентровой микродинамической обработки.

Основные задачи исследования:

1) выполнить анализ достигнутого уровня существующих исследований в области обеспечения стабильности выходных показателей качества колец подшипников качения;

2) выявить и формализовать взаимосвязи между выходными показателями качества и технологическими режимами;

3) разработать математическую модель метода бесцентровой

микродинамической обработки колец подшипников качения для прогнозирования результатов обработки;

4) экспериментально подтвердить результаты теоретических исследований и выполнить оценку их адекватности;

5) разработать практические рекомендации по промышленному применению результатов исследований.

Научная новизна

1. Установлены взаимосвязи между режимами бесцентровой микродинамической обработки и показателями качества колец подшипников с учетом распределения остаточных напряжений в их поверхностном слое, что позволяет прогнозировать поведение технологической системы при различных алгоритмах изменений режимов.

2. Дана количественная оценка остаточных напряжений и деформации кольцевых образцов после разрезки, отклонения от круглости образцов и их среднего квадратического отклонения от технологических факторов: силы нагружения, частоты вращения и времени бесцентровой микродинамической обработки, что позволило прогнозировать формирование физико-механического состояния поверхностного слоя. Выполненные исследования позволили предложить методику выбора оптимальных условий осуществления исследуемого метода и выполнить проверку адекватности математической модели.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:

- разработке технологии процесса снятия остаточных напряжений и стабилизации геометрических параметров колец подшипников, позволяющей снизить трудоемкость изготовления деталей и обеспечить стабильность показателей качества изделий;

- обоснованном выборе метода и способов обработки (патенты RU № 2583520 и RU № 2581692) и устройства (патент RU № 2608114), позволяющих обеспечить заданное качество изготовления колец подшипников качения;

- предложенной методике оптимизации режима, которая может применяться на практике при выборе параметров бесцентровой микродинамической обработки (например, для колец шарикового подшипника 100805.02 рекомендуются следующие оптимальные режимы обработки: сила воздействия валков на заготовку P = 400 Н, частота вращения заготовки n = 140 минвремя обработки t = 28 с);

- разработана конструкция автомата для микродинамической релаксации остаточных напряжений в деталях подшипников.

Разработанные мероприятия позволили снизить остаточные напряжения в 1,5-2,0 раза, затраты энергии - в 7 и более раз, повысить производительность в 2,5-5 раз, уменьшить капитальные вложения и затраты на незавершенное производство.

Объект исследования - технологический процесс изготовления колец подшипников качения.

Предмет исследования - взаимосвязи и закономерности, возникающие в процессе бесцентровой микродинамической релаксации между входными технологическими факторами и показателями качества колец подшипников качения.

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования служат фундаментальные и прикладные положения теории технологии машиностроения, расчетно-аналитические методы материаловедения и сопротивления материалов, математические методы дифференциального и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования базировались на применении методов рационального планирования экспериментов и статистической обработки результатов исследований. Компьютерное моделирование осуществлялось в среде MathCAD V15. Эмпирические данные обрабатывались в программе Microsoft Excel. В качестве измерительных средств использовалась высокоточная аттестованная измерительная техника ОАО «ЕПК Саратов» и СГТУ имени Ю.А. Гагарина.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель метода бесцентровой микродинамической обработки колец подшипников качения, позволившая выявить основные закономерности и особенности данного метода.

2. Регрессионные зависимости остаточных напряжений, деформации кольцевых образцов после разрезки, отклонения от круглости кольцевых образцов и среднего квадратического отклонения величин отклонений от круглости образцов от основных технологических факторов исследуемого метода: силы нагружения образцов, частоты их вращения и времени бесцентровой микродинамической обработки.

3. Методика определения режимов бесцентровой микродинамической обработки колец подшипников типа

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных путем проверки адекватности теоретической модели, а также показателями эффективности производственного применения разработанной технологии и практических рекомендаций.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Региональной научно-практической конференции с международным участием «Молодые ученые - науке и производству» (Энгельс, 2013 г.); Всероссийской заочной научно-технической конференции «Проблемы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (Тула, 2015 г.); V Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития» (Курск, 2015 г.); XXI конференции молодых ученых с международным участием на базе предприятия ГНЦ РФ АО

«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург, 2019 г.); II Международной научно-практической конференции «Наука, технологии и инновации в современном мире» (Уфа, 2015 г.); ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых СГТУ имени Ю.А. Гагарина (Саратов, 2011-2015 гг.); научных семинарах кафедры технологии машиностроения и заседаниях Ученого совета Института электронной техники и машиностроения СГТУ имени Ю.А. Гагарина (Саратов, 2013-2015 гг.).

Работа выполнена по заданию № 9.896.2014/К на выполнение НИР в рамках проектной части государственного заказа в сфере научной деятельности и при финансовой поддержке Федеральной целевой программы Минобрнауки России (соглашение № 14.574.21.0015 от 17.06.2014 УИС КЕМБЕ157414Х0015).

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В

ДЕТАЛЯХ МАШИН

1.1 Современные способы и технические средства для удаления

остаточных напряжений

Краткая характеристика существующих методов релаксации остаточных напряжений в деталях машин представлена в таблице

Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики методов релаксации остаточных напряжений

№ Методы снятия Преимущества Недостатки

остаточных на-

пряжений

1 Метод естествен- Применим для любых изде- Низкая производи-

ного старения: лий, не требует сложного тельность, дефор-

- свободная вы- технического оснащения, от- мация изделия в

держка во време- сутствуют энергозатраты процессе отпуска,

ни; низкая экономич-

- под статической ность, большие

нагрузкой; производственные

- при статической площади

деформации

2 Термический ме- Хорошая изученность мето- Большие затраты

тод искусственно- да, высокая надежность энергии, значитель-

го старения: ные деформации,

- термическая об- низкая производи-

работка методом тельность, дорого-

отжига или от- стоящее оборудова-

пуска; ние, большие про-

- низкотемпера- изводственные

турный отпуск; площади

- прочие способы

3 Лазерный метод Повышение твердости, высо- Большие затраты

искусственного кая контролируемость про- энергии, дорого-

старения цесса, стабильность геомет- стоящее оборудова-

рических параметров изде- ние

лий

4 Метод воздейст- Повышение твердости Метод мало изучен,

вия электриче- низкая производи-

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологического процесса изготовления колец подшипников качения путем бесцентровой микродинамической обработки»

ским током высо- тельность

кой плотности

5 Электроннолуче- Относительно невысокая Высокие затраты

вая обработка стоимость за счет высокого энергии, малая изу-

КПД, упрочнение поверхно- ченность метода,

стного слоя на контролируе- применим для огра-

мую глубину, стабильность ниченного спектра

геометрических параметров формы и размеров

изделий деталей

6 Метод нанесения наноструктуриро-ванных покрытий Увеличение долговечности изделий в условиях циклического нагружения в 3 раза, локализованное воздействие, невысокие затраты энергии Метод мало изучен, низкая производительность, применим для ограниченного спектра формы и размеров деталей

7 Магнитно-импульсная обработка Локальное упрочнение поверхности изделия, стабильность геометрических параметров изделий Применим для ограниченного спектра формы и размеров деталей, зависит от магнитных свойств материала

8 Химико-термические методы Низкие энергозатраты, локализованное воздействие, стабильность геометрических параметров изделий Низкая производительность, применим для ограниченного спектра формы и размеров деталей

9 Метод статической перегрузки Низкие затраты энергии Малая изученность метода, слабая контролируемость процесса

10 Вибрационное Высокая производитель- Достаточно изучен

старение: ность, малые энергозатраты, только ультразвуко-

- УЗК обработка стабильность геометриче- вой способ вибра-

- метод резо- ских параметров изделий, ционного старения,

нансных колеба- применим для широкого низкочастотный

ний спектра формы и размеров циклический способ

- метод много- деталей изучен мало

циклической об-

катки или рас-

катки поверхно-

сти

Метод естественного старения - наиболее известный и давно возникший метод стабилизации остаточных напряжений. Метод не дорогой, не требующий больших финансовых затрат. При осуществлении данного метода изделие после изготовления хранится на открытом воздухе, подвергаясь изменениям температуры окружающей среды, вызывающим температурные деформации всех элементов конструкции. Этот процесс весьма продолжителен и может занимать более двух лет [1].

Важным свойством естественного старения является повышение сопротивления материала пластическому деформированию за счет происходящей в течение длительного времени межкристаллитной эрозии. Самый существенный недостаток естественного старения - большая его продолжительность, необходимость создания сверхнормативных запасов заготовок и дополнительных площадей.

Термическая обработка. На сегодняшний момент это основной метод, применяемый в промышленности [2-4]. Он представляет собой тепловой процесс снятия напряжения, при котором изготовленная стальная конструкция помещается в печь и температура поднимается до 200...600 °С. Эта температура поддерживается в течение определенного времени, затем постепен-

но уменьшается. При этом уменьшается внутренняя энергия искажения решетки матрицы при переходе растворенных атомов в район дислокации, а также энергия самой дислокации. Кроме того, за счет резкого повышения пластичности металлической матрицы происходит снижение остаточных напряжений не только в местах их концентрации, но и по всему объему материала [4]. Поэтому при низкотемпературном отжиге получается значительное снижение остаточных напряжений, однако здесь наблюдается резкое уменьшение напряжений только в местах их концентрации. Снижение напряжений в других местах является в данном случае лишь сопутствующим процессом, не оказывающим существенного влияния на последующую стабилизацию. Напряжения при низкотемпературном отжиге снижаются более значительно, чем при естественном старении [5]. Поэтому он в настоящее время является основным методом релаксации остаточных напряжений и широко применяется в промышленности. Его недостатком является искажение формы и размеров деталей, особенно маложестких типа колец подшипников качения, очень высокие затраты энергии, а также то, что значительная часть остаточных напряжений после обработки остается в металле, что может оказать отрицательное влияние на работоспособность деталей.

Старение холодом является одной из разновидностей термической обработки. Требует значительных затрат энергии на охлаждение, а также может привести не которые виды сортамента металла к такому явлению, как хладноломкость, поэтому у данного метода нет широкого применения.

Деформационное старение - группа методов, основной принцип которых заключается в статическом или циклическом нагружении [6]. При этом напряжения, возникающие в изделии, суммируются с остаточными и вызывают пластическую деформацию, вследствие чего уменьшаются исходные остаточные напряжения. Изменение остаточных напряжений, как при статическом, так и при циклическом нагружении, является следствием релаксационного процесса, а в некоторых случаях - упругого последействия.

В работе [7] представлены расчетные модели прогнозирования распре-

деления тензора остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя после упрочняющей обработки способами поверхностного пластического деформирования и размерного совмещенного обкатывания, полученные моделированием методом конечных элементов. Выявлены взаимосвязи компонентов тензора остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя с основными технологическими параметрами упрочняющей обработки поверхностного пластического деформирования и размерного совмещенного обкатывания. Выполнен сравнительный анализ распределения компонентов тензора остаточных напряжений после упрочняющей обработки представленными способами.

Метод статической перегрузки заключается в приложении к изделию продолжительной концентрированной или распределенной нагрузки необходимой величины, которая создает напряжения, совпадающие по направлению с максимальными остаточными напряжениями, но имеющие противоположный знак. При этом нагрузка может быть как одноразовой, так и циклической

[8,9].

Вибрационное старение, получивший распространение в последние десятилетия, является малоэнергоёмким способом стабилизации геометрических размеров металлоконструкций [8, 10]. Сущность метода заключается в создании в металлоконструкции после окончательной сборки или в процессе изготовления переменных напряжений определенной величины с помощью специальных вибровозбудителей (вибраторов). Возникающие при виброобработке переменные напряжения суммируются с остаточными напряжениями, вследствие чего возникает явление вибропластичности, которое способствует снижению и перераспределению напряжений [9, 11]. Пластическая деформация, сопровождающая циклическое нагружение детали, приводит к упрочнению материала и перераспределению остаточных напряжений. Процесс вибрационного старения можно назвать ускоренным естественным старением, при котором металлические изделия испытывают воздействие слабого термического цикла и хаотических вибраций от случайных источников.

При вибрационном старении за короткие промежутки времени создается множество циклов нагружения на заданных и контролируемых амплитудах и частотах, что обеспечивает завершение стабилизации в течение нескольких минут [12].

Вибрационное старение является высокопроизводительным методом снижения остаточных напряжений, который пригоден для сборных, литых, кованых, сварных и горячекатаных конструкций из черных и цветных металлов [12, 13]. При этом параметры прочности, твердости и долговечности не снижаются. Кроме того, вибрационное старение применимо к конструкциям любых габаритных размеров и массы, а оборудование, необходимое для его осуществления, является весьма простым и малогабаритным.

В результате совместного решения двух краевых задач в работе [14] теоретически установлено, что наложение вибронагрузок на стационарные нагрузки существенно ускоряет процесс релаксации остаточных напряжений.

В работе [15] представлены результаты исследований эффективности ультразвукового снятия технологических остаточных напряжений полосовым твердосплавным индентором. На основе полученных результатов установлено, что изменение параметров ультразвуковой релаксации напряжений в заготовках из коррозионно-стойкой стали, позволяет существенно увеличить эффективность снижения их абсолютной величины.

Применение ультразвуковых механических колебаний позволяет снимать остаточные технологические напряжения не только в поверхностных слоях металлических изделий, но и в сварных соединения [16]. Воздействие ультразвука на участке зоны термического влияния с интенсивностью ультразвуковых колебаний, достаточной для достижения предела текучести металла сварного соединения, приводит к «гашению» пластической деформации металла. При этом температура металла практически не изменяется. При полном остывании металла, которое проходит в поле ультразвуковых колебаний, внутренние напряжения металла становятся равными нулю. Пластические деформации и, соответственно, остаточные напряжения отсутствуют.

Лазерный метод. В результате нагрева материала лучом лазера происходит процесс плавления, сопровождаемый структурно-фазовыми превращениями при дальнейшем естественном остывании, что приводит к снятию имевшихся остаточных напряжений. Преимущество лазерного метода заключается в возможности обработки изолированной части поверхности на контролируемо малую глубину. Ввиду высоких энергозатрат, представляющих собой один из недостатков, метод рекомендуется использовать для высокоточной термообработки сложных металлических поверхностей. Использование чередующихся способов лазерного отпуска и лазерной закалки [17] позволяет получить стабильную геометрическую форму поверхности с равномерно распределенными остаточными напряжениями подповерхностного слоя.

В работе [18] рассмотрена методика определения оптимальных режимов лазерной обработки поверхностей, обеспечивающей равномерно распределенные остаточные напряжения.

Более широко вопрос лазерной стабилизации остаточных напряжений рассмотрен в работах [19, 20].

Глубокие теоретические и экспериментальные исследования процесса поверхностного лазерного упрочнения маложестких деталей выполнены под руководством Королева А.В. [21-27]. В этих работах показан механизм импульсной лазерной закалки, позволяющей при определенных режимах ее осуществления получить высокую твердость поверхностного слоя и избежать возникновения остаточных напряжений, которые могут вызвать деформацию маложестких деталей.

Электронно-лучевой метод. Электронно-лучевая обработка поверхности производится мощным электронным пучком в вакуумной среде. При этом необходима защита оператора от рентгеновского излучения, что препятствует широкому массовому распространению такого упрочнения [28]. Показаны преимущества этого метода по сравнению с лазерной обработкой: более высокий КПД; более высокая мощность; меньшая стоимость.

В работе [29] проведено исследование структуры и характера распределения упругих микродеформаций, связанных с действием напряжений I и II рода в азотистых аустенитных покрытиях, полученных электронно -лучевой наплавкой, а также механизмы релаксации остаточных напряжений, имеющих знакопеременные значения по толщине покрытия. В результате эксперимента установлено, что вследствие релаксации остаточных напряжений формируется структура с повышенной плотностью дислокаций. Основным механизмом релаксации остаточных напряжений в наплавленных покрытиях являются структурные превращения.

Метод нанесения наноструктурированных покрытий. В результате исследований приведенных в работе [30] установлено, что в образцах, изготовленных из стали 30ХГСН2А, с нанесенным наноструктуированным пучком ионов 7г+ покрытием, снижение предела прочности происходит вследствие разупрочнения поверхностного слоя, сопровождаемого повышением относительного удлинения до разрушения. В результате усталостных испытаний показано, что образцы после ионно-лучевой обработки имеют в 3 раза большее количество циклов до разрушения, чем образцы без неё.

В работе [31] представлены результаты исследований реологических и релаксационных свойств дистиллированного и технического бериллия. Установлено, что процессы упрочнения и термического разупрочнения, происходящие в нанокристаллическом бериллии, существенно отличаются от процессов, происходящих в дистиллированном и техническом бериллии. Термическое разупрочнение в дистиллированном и техническом бериллии происходит только за время междеформационных пауз, в отличие от нанокристал-лического бериллия, у которого разупрочнение происходит в процессе деформации. Показано, что пластическая деформация бериллия при температурах 400-500 °С сопровождается подключением дополнительного механизма деформации и релаксации напряжений - двойникования, который является причиной повышенной пластичности металла.

Магнитно-импульсный метод. Магнитно-импульсная обработка осно-

вана на мгновенном разряде электроэнергии, накопленной в мощной конденсаторной батарее, через индуктор, являющийся рабочим органом. При этом в цепи индуктора протекает импульс тока, а в прилегающем пространстве возникает импульсное магнитное поле, которое индуцирует в металлической заготовке вихревые токи противоположного направления.

Магнитно-импульсная обработка основана на мгновенном разряде электроэнергии, накопленной в конденсаторной батарее, через соответствующий индуктор, являющийся рабочим органом. При магнитно-импульсном упрочнении происходит:

• изменение доменной структуры (магнитострикционные деформации);

• локальный нагрев обрабатываемой детали за счет образования вихревых токов;

• импульсное сжатие со стороны рабочей части области соленоида, что значительно снижает концентрацию остаточных напряжений.

Проводимые исследования по изучению магнитно-импульсного метода [32] показали, что при воздействии сильного электромагнитного поля происходят довольно существенные структурные изменения в металлических изделиях, приводящие к их упрочнению.

В работе [33] предложен метод повышения износостойкости и микротвердости металлических и металлалмазных покрытий, основанный на воздействии импульсного магнитного поля высокой напряженности. Максимальное снижение внутренних остаточных напряжений и увеличение микротвердости обеспечивает предварительный нагрев изделий с покрытиями током высокой частоты и импульсное магнитное поле с напряженностью, достаточной для полного магнитного насыщения ферромагнитных покрытий или основного материала изделий.

Химико-термические методы. Химико-термические методы основаны на процессе поверхностного насыщения металла различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре, что приводит

к изменению структуры, химического состава и распределению напряжений в поверхностном слое материала. Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий: диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента [34]; адсорбции, т.е. контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента вглубь металла. Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов вглубь металла. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

В работе [35] на основе результатов имитационного моделирования термообработки с вакуумной цементацией поверхностного слоя установлено снижение скорости трещинообразования стального листа под действием механической нагрузки.

В работе [36] произведен расчет внутренних остаточных напряжений, возникающих в закаленных деталях машин после химико-термической обработки. Предложен режим закалки в подогретом масле, в результате чего было установлено снижение остаточных напряжений и уменьшение брака при изготовлении деталей зубчатое колесо и вал-шестерня.

В работе [37] приведены результаты рентгенографического исследования напряженного состояния нитроцементованных слоев стали 20Х3МВФ-ш после различных обработок. Предложена формула для учета поправки на

разгрузку образцов при стравливании в случае, если распределение остаточных напряжений имеет сложный характер. Построены эпюры внутренних макронапряжений в нитроцементованных слоях. Показано, что остаточные напряжения изменяются от сжимающих на поверхности до растягивающих на границе слоя.

В работе [38] рассмотрен метод расчета остаточных напряжений, возникающих после химико-термической обработки в сплошных или полых цилиндрах.

Выполненный анализ показал наличие большого числа методов релаксации остаточных напряжений и результаты их теоретических и экспериментальных исследований. Большинство из этих методов не нашли широкого применения в промышленности из-за сложности их практической реализации, больших затрат энергии, низкой универсальности и невысокой эффективности.

Наиболее универсальным и поэтому широко применяемым в промышленности методом релаксации остаточных напряжений является низкотемпературный отпуск деталей. Однако этот метод имеет ряд серьезных недостатков, основным из которых является большие затраты энергии и наличие остаточных напряжений после обработки. Поэтому логика экономического развития машиностроительного производства требует поиска новых перспективных методов релаксации остаточных напряжений.

К таким перспективным методам относится метод механической циклической обработки. Практическое применение этого метода не требует дорогостоящего оборудования, обеспечивая при этом высокую стабильность распределяемых остаточных напряжений при относительно высокой производительности. Поэтому способы осуществления этого метода требует особого рассмотрения.

1.2 Обзор существующих способов вибромеханической релаксации остаточных напряжений в деталях типа колец

В результате патентного и литературного поиска выявлен постоянно возрастающий интерес в России и за рубежом к исследованию вибромеханической стабилизации геометрических параметров изделий. Однако достаточно глубокие теоретические исследования этого процесса отсутствуют, что существенно сдерживает его практическое применение.

Все способы вибромеханической стабилизации остаточных напряжений деталей можно классифицировать по трем группам:

1. Ультразвуковая обработка.

2. Резонансная вибромеханическая обработка.

3. Вибромеханическая обработка деталей встряхиванием.

Одной из первых способ ультразвуковой механической обработки деталей типа колец предложила научная школа проф. Королева А.В. [39-44 и др.]. Представителями данной научной школы были выполнены научные исследования, которые позволили разработать технологию и изготовить полуавтомат для снятия остаточных напряжений (рисунок 1.1), который прошел успешно испытания в условиях подшипникового производства и был внедрен на научно-производственном предприятии нестандартных изделий машиностроения (на базе ОАО СПЗ).

Исследования показали, что после ультразвуковой обработки не происходит изменения наружного диаметра, а после дополнительного отпуска этот параметр увеличивается в среднем на 1-2 мкм. По сравнению с дополнительным отпуском после ультразвуковой обработки отклонение от геометрической формы уменьшается в 1.8 раза.

Рисунок 1.1 - Станок для вибростарения колец подшипников

Ультразвуковая обработка повышает твердость материала кольца в среднем на 0,18-0,19 единиц ИЯСэ по сравнению с дополнительным отпуском и контрольной группой соответственно. Ультразвуковая обработка обеспечивает более эффективное снятие напряжений (в среднем в 1,41 раза) по сравнению с дополнительным отпуском.

Главными преимуществами полуавтомата являлась высокая экономия энергии по сравнению с термоотпуском, повышение качества деталей и увеличение производительности выполнения операции. Данная технология и полуавтомат демонстрировался на международной инновационной выставке в Брюсселе 2002 году, и были награждены серебряной медалью.

В работах [15,16] показано, что в результате ультразвуковой механической обработки в поверхностном слое обрабатываемого соединения создаются сжимающие напряжения на глубине до 2 мм. Импульсные и циклические напряжения, создаваемые ультразвуковой обработкой, обуславливают снижение уровня остаточных сварочных напряжений до 50%, а иногда и выше, что повышает предел усталости металла в 2-3 раза. Исследования коррозионных свойств сварных соединений показали, что после ультразвуковой механической обработки сопротивляемость коррозии возрастает в несколько раз.

Исследования [45], проводимые учеными университета Аальто (Финляндия), по изменению остаточных напряжений трех основных видов сварных швов, позволили установить, что под действием ультразвуковых вибромеханической обработки сварного шва происходит увеличение усталостной прочности на 12,5% вследствие снятия остаточных напряжений.

Экспериментальные исследования, приводимые работах Ю.Ф. Кудрявцева [46-48], показали высокую эффективность использования ультразвукового вибромеханического метода по снятию остаточных напряжений в сварных конструкциях в сравнении с традиционными термическими методами, как по производительности, так и по стоимости. Применение ультразвукового метода приводит к устранению деформаций формы, обусловленных остаточными напряжениями, увеличению усталостной долговечности и восстановлению элементов сварных конструкций.

В работе [49] представлены результаты измерений остаточных напряжений сварных конструкций морских судов после дробеструйной ультразвуковой упрочняющей обработки. Для проведения измерений в образце высверливались отверстия в зоне ультразвуковой обработки на глубину 0,5 мм, 1 мм и 2мм с установкой туда тензодатчиками. Измерения показали, что ультразвуковая вибромеханическая обработка приводит к возникновению высоких сжимающих остаточных напряжений на глубине до 2 мм.

В работах [50, 51] проводился анализ влияния виброструйной ультразвуковой обработки сварных соединений на остаточный напряжения. В результате установлено, что данный метод обработки позволяет увеличивать долговечность сварных соединений до двух раз, и может быть использован для восстановления усталостной прочности конструкций с низким качеством сварных стыков, приводит к сокращению числа ремонтно-восстановительных работ, повышает безопасность эксплуатации изделий в течение оставшегося срока службы.

В работе [52] представлен ультразвуковой способ снятия остаточных напряжений сварных швов.

Особенность данного способа заключается в том, что ультразвуковое воздействие на сварной шов производят с помощью пьезокерамической акустической системы путем подачи на нее синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний с частотой 20 кГц. На рисунке 1.2 представлена схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Инструментом для обработки (рисунок 1.2) служит пьезокерамический преобразователь 1 с коническим волноводом 2. Позиции 1 и 2 объединены под общим названием «пьезокерамическая акустическая система», которая перемещается по сварному шву и прижимается к нему под действием статической нагрузки Рст. Режим обработки - статическая нагрузка Рст, скорость обработки и время обработки, определяются экспериментально для каждого конкретного случая, обусловленного маркой (марками) обрабатываемого материала и его толщиной, параметрами электрического тока и маркой электрода (для электродуговой сварки), параметрами шва и др.

В результате проведенных исследований установлено, что использование энергии синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний позволяет снизить остаточные напряжения на 27...29%, при этом ультразвуковые колебания без модуляции позволяют снизить остаточные напряжения на 20.22%.

Выполненные исследования показали высокую эффективность ультразвуковой релаксации остаточных напряжений, в значительной степени раскрыли механизм этого сложного процесса, установили ряд важных закономерностей, отражающих влияние условий обработки на ее результаты.

Однако указанные выше работы выявили недостатки ультразвукового способа релаксации напряжений. К наиболее существенным недостаткам ультразвуковой релаксации остаточных напряжений относятся следующие:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Яковишин Александр Сергеевич, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коцюбинский, Ю.О. Стабилизация размеров чугунных отливок / Ю.О. Коцюбинский. - М.: Машиностроение, 1974. - 296 с.

2. Биргер, И.А. Остаточные напряжения / И.А. Биргер. - М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

3. Berezhnyts'ka M. P. Methods for determining residual welding stresses and their relief (a review) / M. P. Berezhnyts'ka // Materials Science. - 2001. -Vol. 37, № 6. - Р. 933-939.

4. Блантер, М.Е. Теория термической обработки / М.Е. Блантер. - М.: Металлургия, 1984. - 327 с

5. Zhang J. Residual stresses in welded moment frames and implications for structural performance / J. Zhang, P. Dong // J. Struct. Engrg. - 2000. - Vol. 126, Issue 3. - Р. 306-315.

6. Бабич, В.К. Деформационное старение стали / В.К. Бабич, Ю.П. Гульс, И.Е. Долженков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.

7. Махалов, М.С. Расчетные модели остаточных напряжений поверхностного слоя после упрочнения способами поверхностного пластического деформирования / М.С. Махалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2012. - № 3. - С. 110-115.

8. Горенко, В.Г. Статические и динамические способы снижения уровня остаточных напряжений и стабилизации размеров отливок / В.Г. Горенко, П.В. Русаков // Повышение надежности и долговечности литых деталей: сб. науч. трудов. - К.: Институт проблем литья АН УССР, 1987. - С. 23-39.

9. Скаковский, В.Д. Разработка технологии вибрационной обработки сварных конструкций балочного типа: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.03.06 / В. Д. Скаковский - К., 1987. - 16 с.

10. Рагульскис, К.М. Вибрационное старение / К.М. Рагульскис, Б.Б. Стульпинас, К.Б. Толутис. - Л.: Машиностроение, 1987. - 72 с.

11. Munsi A. S. M. Y. Use of static stress for modification of welding residual stresses / A. S. M. Y. Munsi, A. J. Waddell, C. A. Walker // Science and

Technology of Welding and Joining. - 2002. - Vol. 7, № 1. - Р. 51-55.

12. Balasingh C. Vibrational Stress-Relief of Cast Iron Castings / C. Bala-singh, M. R. Seshadri, M. N. Srinivasan, S. Ramaseshan // Indian Foundry J. -1983. - Vol. 29, № 11. - Р. 129-136.

13. Валетов, В.А. Методика исследования характеристик поверхностного слоя деталей приборов: учеб. пособие / В.А. Валетов, С.Д. Васильков, А.Н. Сисюков, О.С. Юльметова. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 92 с.

14. Саушкин, М.Н. Метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном слое цилиндрического образца при виброползучести / М.Н. Саушкин, Е. В. Дубовова // Вестн. СамГТУ. Сер. Физ.-мат. науки. - 2010. - №1(20). - С. 111-120.

15. Киселев, Е.С. Технологические возможности ультразвуковой релаксации остаточных напряжений полосовым твердосплавным индентором / Е.С. Киселев, О.В. Благовский // Упрочняющие технологии и покрытия. -2012. - № 3. - С. 9-14.

16. Трофимов, А И. Ультразвуковой метод снятия остаточных напряжений в сварных соединениях циркуляционных трубопроводов и оборудования АЭС / А.И. Трофимов, С.И. Минин, В.Н. Дементьев, М.А. Трофимов, А.И. Осипов // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. -2009. - № 3. - С. 44 - 49.

17. Гуреев, Д.М. Физико-технологические аспекты лазерной термообработки рабочих поверхностей линейных большеразмерных изделий / Д.М. Гуреев // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер.: Физико-математические науки. - 2013. - № 2 (31). - С. 85-90

18. Носов, Н.В. Оптимизация режимов лазерного упрочнения / Н.В. Носов, А.А. Гусев, И.В. Нырцов // Вестник СамГТУ. - 2013. - №2. - С.124-130.

19. Гуреев, Д.М. Лазерная и лазерно-ультразвуковая обработка материалов / Д.М. Гуреев. - Самара: СамГТУ, 2011. - 244 с.

20. Завестовская И. Н. Теоретическое моделирование процессов по-

верхностной обработки материалов импульсами лазерного излучения: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.21 / И.Н. Завестовская. - Москва, 2012. - 221 c.

21.The Mechanism of hardening and internal stress stabilisation in the process of laser treatanent / A.V. Korolev, A.A. Korolev, M.M. Zhuravlyov // Journal of Russian Laser Research, Volume 36, Number 4, July, 2015.- DOI 10.1007/s10946-015-9510-3

22.Korolev, A.V A multicycle technology for laser surface hardening and stabilization treatment of slender parts// A.V. Korolev, A.A. Korolev // Saratov Fall Meeting 2014: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XVI; Laser Physics and Photonics XVI; and Computational Biophysics, 94481Y.-doi: 10.1117/12.2178854

23.Korolev, A.V Temperature Distribution Within and Outside the Laser Heating Zone A.V. Korolev, A.A. Korolev Saratov Fall Meeting 2014: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XVI; Laser Physics and Photonics XVI; and Computational Biophysics, 94481Y.- doi: 10.1117/12.2178445

24. Теплофизическая модель закалки сканирующим лазерным пучком [Текст] / М.М. Журавлев, А.В. Королев, М.К. Решетников // Вестник СГТУ. -2013. - № 4 (73). - С. 110-114.

25. Моделирование микротвердости и глубины упрочненного слоя при лазерной закалке с оплавлением поверхности [Текст] / М.М. Журавлев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - № 6 . - С. 16-19

26. Распределение температуры внутри температурного поля при лазерной обработке [Текст] / М.М. Журавлев, А.В. Королев, М.К. Решетников // Вестник СГТУ. - 2014. - № 1 (74). - С. 62-67.

27. Распределение температуры за пределами зоны нагрева при лазерной обработке [Текст] / М.М. Журавлев, А.В. Королев, М.К. Решетников // Вестник СГТУ. - 2014. - № 1 (74). - С. 67-70.

28. Степанова, Т.Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин: учебное пособие / Т.Ю. Степанова. - Иваново: Иван. гос. хим.-

технол. ун-т, 2009. - 64с.

29. Наркевич, Н.А. Остаточные напряжения в электронно-лучевых покрытиях с азотистой аустенитной матрицей и структурные механизмы их релаксации / Н.А. Наркевич, Е.А. Иванова, Ю.П. Миронов и др. // Физика металлов и металловедение. - 2011. - Т.112. №5. - С.1-8.

30. Панин, С.В. Повышение усталостной долговечности стали 12Х1МФ наноструктурированием поверхности ионным пучком Zr +. Часть 1: Структура, свойства и характер разрушения / С.В. Панин, И.В. Власов, В.П. Сергеев и др. // Физическая мезомеханика. - 2012. - Т.15, №6. - С.93-106.

31.Колбасников, Н.Г. Исследование структуры, реологических и релаксационных свойств нанокристаллического бериллия при температурах горячей прокатки. Исследование кинетики релаксации напряжений в бериллии различных сортов / Н.Г. Колбасников, В.В. Мишин, А.А. Наумов, А.В. Забродин // Российские нанотехнологии. - 2014. - Т. 9, № 7/8. - С. 82-91.

32. Алифанов, А.В. Магнитно-импульсная упрочняющая обработка изделий из конструкционных и инструментальных сталей / А.В. Алифанов, А.В. Акулов, Ж.А. Попова, А.С. Демянчик // Литье и металлургия: научно-производственный журнал. - 2012. - № 3 (66). - С. 77 - 82.

33. Козлюк, А.Ю. Исследование влияния комбинированной магнитно-импульсной обработки на структуру и свойства хромовых и никелевых покрытий / А.Ю. Козлюк, М.О. Курепин, А.Г. Тюрин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2012. - № 3. - С. 107-109.

34. Романенко А.Г. Повышение эксплуатационных свойств конструкционных сталей химико-термической обработкой с использованием пастообразных карбюризаторов: дис. ... канд техн. наук: 05.16.01 / А.Г. Романенко. -Курск, 2014. - 128 с.

35. Freborg A. Modeling Heat Treatment for Characterizing Distortion, Residual Stress, Loading Response and Fracture in a Vacuum Carburized and Gas Quenched Steel Coupon. Thermal Process Modeling / A. Freborg, B. Ferguson, Z. Li. // Proceedings from the 5th International Conference on Thermal Process Mod-

eling and Computer Simulation June 16-18, 2014, Gaylord Palms Resort & Convention Center, Orlando, FL, USA

36. Рожков, И.И. Расчет внутренних остаточных напряжений, возникающих в закаленных деталях после химико-термической обработки / И.И. Рожков, В.В. Мыльников // Международный журнал экспериментального образования. - 2014. - № 1 - С. 114-118

37. Акуличев, А.Г. Остаточные напряжения в нитроцементованной стали 20Х3МВФ-ш / А.Г. Акуличев, В.В. Трофимов // Инженерный вестник Дона. - 2010. - Т.14, №4. - С.163-169.

38. ^ратушин, С.И. Остаточные напряжения в цилиндрических изделиях / С.И. ^ратушин, Д.В. Спиридонов, Ю.А. Плешанова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2013. - № 6. - С. 53-56 .

39. RU № 2140842 (10.11.99)- Способ вибростарения деталейЖЬролев А.В. и др.

40. Бабенко М.Г., Болкунов В.В., ^ролев А.В. Способ уменьшения остаточных напряжений после шлифования //Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Междун. науч.- техн. конф. Шлифаб-разив-97 - Волжский ТОО Полиграфист, 1997.- С.71-73.

41. ^ролев А.В., Балаев А.Ф., Балтаев Т.А. Технология ультразвуковой стабилизации геометрических параметров упругих пластин / А.В. ^ро-лев, А.Ф. Балаев, Т.А. Балтаев // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017. № 2 (68). С. 14-18.

42. Technology of Residual Stresses Relaxation by the Ultrasonic Vibrations / A.V. Korolev, A.A. Korolev, A.S. Jakovichin, S.A. Savran, A.F. Balaev , E.V. Muhina, K.S. Neigebauer, B.M. Iznairov O.P. Reshetnikova// Applied Mechanics and Materials ISSN: 1662-7482, Vol 770 (2015) pp 66-69. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.770.66

43. Анализ уровня вибрации подшипниковых узлов 2108-1006120-01 после ультразвуковой стабилизирующей обработки /А.В. ^ролев, В.В. Бол-кунов, С.В. Слесарев // Прогрессивные направления развития технологии

машиностроения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2005. С. 38-40.

44. Ультразвуковая стабилизация размеров колец подшипников с пластмассовыми ребордами / В.В. Болкунов, С.В. Слесарев, А.В. Королев, А.А. Королев // СТИН. 2006. №9. С. 38-40.

45. Yildirim H.C. Fatigue strength improvement factors for high strength steel welded joints treated by high frequency mechanical impact / Halid Can Yildirim, Gary B. Marquis // International Journal of Fatigue. - 2012. - Vol. 44. - P. 168-176.

46. Kudryavtsev Y. Increasing Fatigue Strength of Welded Joints by Ultrasonic Impact Treatment / Y.Kudryavtsev, J. Kleiman // International Institute of Welding. IIW Document XIII-2338-10. - 2010.

47. Kudryavtsev Y. Fatigue Improvement of HSS Welded Elements by Ultrasonic Peening / Y. Kudryavtsev, J. Kleiman, Y. Iwamura // Proceedings of the International Conference on High Strength Steels for Hydropower Plants, July 2022, 2009, Takasaki, Japan.

48. Kudryavtsev Y. Ultrasonic measurement of residual stresses in welded Specimens and structures / Y. Kudryavtsev // Proceedings of the ASME 2013 Pressure Vessels and Piping Conference PVP2013-97184, July 14 - 18, 2013, Paris, France.

49. Ficquet X. Residual Stress Measurement in an Ultrasonic Peened Specimen / Xavier Ficquet, Malcolm Hedmar, Ed J. Kingston // 33nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE 201 June 8-13, 2014, San Francisco, CA, USA.

50. Lopez M. L. Fatigue Life Extension by Ultrasonic Peening for Offshore Structures: As-built Weld Quality and Overloads During Remaining Service Life / M. L. Lopez, M. Hedmar // Paper OTC 21140, Offshore Technology Conference 2011, 2-5 May, Reliant Park, Houston, Texas USA.

51. Lopez M. L. Fatigue Life Extension Procedure by Ultrasonic Peening / Lopez M. L. // LETS Global, Version 2 July 2010, IIW Doc XIII-2316-10.

52. Пат. RU № 2447162 МКИ С21С 1/04. Способ ультразвуковой обра-

ботки сварных металлоконструкций / А.В.Рудецкий // БИ. 2012. № 10.

53. А. с. 1555371 СССР, МКИ С 21 D1/04. Устройство для обработки изделий вибрацией / Ю.Ф. Ещенко, Б.П. Хватков, Н.С. Дудоров, Ю.Р. Якус // БИ. 1990. № 13.

54. Пат. SU № 1159956 МПК С 21 D1/04. Устройство для обработки изделий вибрацией / С.А. Смайлов, П.Я. Крауньш, В.Д. Саковский, А.В. Иоппа // БИ. 1985. № 21.

55. Пат. SU № 232789 МПК В 24 В 31/06. Вибрационная установка / М. С. Титов, Л. К. Хайрутдинов, Л. М. Оксенгендлер, П. Д. Вильнер, Н. Я. Осипов // БИ. 1969. № 1.

56. Пат. RU №2457100 МПК B 24 B 39/04. Способ релаксации остаточных напряжений / А.В. Королев, А.А. Королев, А.А. Королев // БИ. 2012. № 21

57. Пат. RU №2478031 МПК B 24 B 39/04, B 23 P 25/00. Способ релаксации остаточных напряжений / А.В. Королев, А.А. Королев, А.А. Королев // БИ. 2013. №9.

58. Дрыга, А.И. Вибростабилизирующая обработка сварных и литых деталей в машиностроении: теория, исследования, технология / А.И. Дрыга. -2-е изд. с изм. - Краматорск, 2008. - 159 с.

59. Семенов, В.М. Снижение остаточных напряжений в элементах конструкций методом вибрационной обработки: монография / В.М. Семенов, А.Ю. Деньщиков, С.В. Подлесный. - Краматорск: ДГМА, 2012. - 136 с.

60. Bazant Z. P. Stabiliti of structures: elastic, inelastic, fracture and damage theories / Z. P. Bazant, L. Sedolin. - Mineola: Dover Publication, 2003. - 1034 p.

61. Cadic А. A. Gauge theory of dislocations and disclinations / А. A. Cad-ic, D. Edelen. - Berlyn: Springer-Verlag, 1983. - 174 p.

62. Лившиц, Б.Г. Металлография / Б. Г. Лившиц. - М.: Металлургия, 1971. - 404 с.

63. Панин, В.Е. Деформация и разрушение поликристаллов при знакопеременном нагружении как диссипативный процесс / В.Е. Панин, Т.Ф. Ел-

сукова // Синергетика и усталостное разрушение металлов: сборник научных трудов. - М.: Наука, 1989. - С. 113-137.

64. Йоффе, А.Ф. Избранные труды: в 2-х т. Т. 1: Механические и электрические свойства кристаллов / А.Ф. Йоффе. - Л.: Наука, 1974.- 326 с.

65. Панин, В. Е. Структурные уровни деформации твердых тел / В. Е. Панин, В. А. Лихачев, Ю. В. Гриняев. - Новосибирск, 1985. - 226 с.

66. Venkataraman G. Fluctuations and mechanical relaxation / G. Venkata-raman // Proc. Intern School Phis. «Enrico Fermi» course LXXXII. - Amsterdam, N. Y., Oxford, North- Holland. - 1982. - Р. 278-414.

67. Yoshioka S. Serrated flow in Al-Zr alloy / S. Yoshioka, Y. Nakayama, N. Hosokawa // Journal Japan institute metals. - 1970. - Vol. 20, № 10. - P. 509519.

68 Данилов, В. И. Волновые эффекты при пластическом течении поликристаллического алюминия / В. И. Данилов // Физика металлов и металловедение. - 1991. - № 3. - С. 188-194.

69 Грабар, И. Г. Дискретные явления в механике разрушения с позиции синергетики / И. Г. Грабар // Синергетика и усталостное разрушение металлов: сборник научных трудов. - М.: Наука, 1989. - С. 191-199.

70. Yamin Shao. PREDICTIVE MODELING OF RESIDUAL STRESS IN MQL GRINDING AND SURFACE CHARACTERISTICS IN GRINDING OF CERAMICS. A Dissertation Presented to The Academic Faculty. Georgia Institute of Technology, 2015.

71. ANDREAS Ö. Prediction of residual stresses in injection moulded parts. Master's thesis, Göteborg, Sweden 2013. С. 54.

72. Jones R. M. Prediction of Residual Stress and Distortion from Residual Stress in Heat Treated and Machined Aluminum Parts. Master's Theses, San Jose State University, 2014. С. 50.

73. Ko, D., Ko D., Lim, H., Lee, J., Kim, B. "Prediction and measurement of relieved residual stress by the cryogenic heat treatment for Al 6061 alloy: mechanical properties and microstructure." Journal of Mechanical Science and Technolo-

gy. Springer, 2013.

74. Ko, D., Ko, D., Lim, H., Lee, J., Kim, B. "FE Simulation Coupled with CFD Analysis for Prediction of Residual Stresses Relieved by Cryogenic Heat Treatment of Al6061 Tube." International Journal of Precision Engineering and Manufactruing. Volume 14, number 8, pages 1301-1309. August, 2013.

75. Croucher T. "Controlling Residual Stress While Achieving Dimensional Stability In Aluminum Alloys - A Historical Perspective." Proceedings from the 6th International Quenching and Control of Distortion Conference, Chicago, 2012. ASM International, 2012.

76. Croucher T. "A Systems Approach for Achieving Stress Free Parts In High Strength Aluminum Alloys." Proceedings from the 6th International Quenching and Control of Distortion. Conference, Chicago, 2012. ASM International, 2012.

77. NMRL-DRDO, Shil-Badlapur Road, Anand Nagar MIDC PO. Modeling of Residual Stresses in a Butt-welded Joint with Experimental Validation. Naval Materials Research Laboratory (NMRL), Defence Research and Development Organization (DRDO), Ambernath. Proceedings of the 2015 COMSOL Conference in Pune, 2015.

78. AN ENHANCED ANALYTICAL MODEL FOR RESIDUAL STRESS PREDICTION IN MACHINING. Report by i-lazoglu on Jun 26, 2016. http://documents.tips/documents/an-enhanced-analytical-model-for-residual-stress-prediction-in-machining.html.

79. Computer models predicts residual stresses in composites. Report by i-lazoglu on Jul 05, 2016. http://docslide.us/documents/computer-models-predicts-residual-stresses-in-composites.html.

80. M.D. Olson, A.T. DeWald, M.B. Prime, M.R. Hill. ESTIMATION OF UNCERTAINTY FOR CONTOUR METHOD RESIDUAL STRESS MEASUREMENTS. Experimental Mechanics, 55(3): 577-585.

81. V.I. Patel, O. Muransky, C.J. Hamelin, M.D. Olson, L. Edwards, M.R. Hill. FINITE ELEMENT MODELLING OF WELDED AUSTENITIC STAIN-

LESS STEEL PLATE WITH 8-PASSES. Proceedings, ASME 2014 Pressure Vessels & Piping Division Conference, July 20-24.

82. RU № 2583520. Способ обработки кольцевой дели непрерывной обкаткой между тремя валками// Королев А.В., Королев А.А., Балаев А.Ф., Яковишин А.С. Патентообладатель СГТУ имени Гагариа Ю.А. Бюл. № 13 10.05.2016 г.

83. RU № 2608114. Устройство для стабилизации геометрических параметров кольцевых деталей// Королев А.В., Балаев А.Ф., Яковишин А.С. Патентообладатель СГТУ имени Гагариа Ю.А. Бюл. № 2 13.01.2017г.

84. Modelling of the process of vibro-mechanical correction in long-length parts Korolev, A., Balaev, A., Savran, S., Davidenko, O. 2016 Vibroengineering Procedia 8, с. 130-134.

85. . The mechanism of vibromechanical treatment and refining of the thrust races. Korolev, A.V., Korolev, A.A., Mazina, A.A., Sidorenko, A.D. 2016 ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 11 (19), с. 11611-11614.

86. Document Modeling the mechanism of stress relaxation of ring parts at high-cycle loading Balaev, A.F., Zakharov, O.V., Korolev, A.V., Korolev, A.A., Kochetkov, A.V. 2016 Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2015 7414977.

87. Колбасников Н.Г. Теория обработки металлов давлением. Сопротивление деформации и пластичность / Н.Г. Колбасников. - СПб: СПбГТУ, 2000. - 314 с.

88. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович Р.М. Расчет на прочность деталей машин: Справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1996.- 616с.

89. Тимошенко С.П., Лессель Д. Прикладная теория упругости. Л.: Государственное техническое издательство, 1931. -392 с.

90. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963.- 108с.

91. Ицкович Г.М., Минин Л.С., Винокуров А.И. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов: Учебное пособие для Вузов/ Под ред. Л.С. Минина. - 3-у изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1999.- 592 с.

92. Спиридонов А.А. Планирование экспериментов при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

93. RU № 2581692. Способ правки длинномерных деталей// Королев А.В., Королев А.А., Балаев А.Ф., Яковишин А.С., Савран А.С. Патентообладатель СГТУ имени Гагариа Ю.А. Бюл. № 11 20.04.2016г.

94. RU 2617073. Способ стабилизации геометрических параметров деталей. 19.4.2017.

95. RU 2626703. Способ стабилизации параметров цилиндрических деталей. 31.07.2017

96. RU 2626701. Устройство для стабилизации параметров цилиндрических деталей. 31.07.2017.

97. RU 2611614. Способ правки и стабилизации нежестких деталей. 28.2.2017.

98. RU 2608115. Бесцентровый станок для обкатки и стабилизации кольцевых деталей. 13.1.2017.

99. RU 2611615. Установка для раскатки и стабилизации дорожек качения шариковых подшипников. 28.2.2017.

100. RU 2583510. Способ стабилизации параметров колец шарикоподшипников. 13.04.2016.

101. RU 2581691. Способ поверхностного упрочнения и стабилизации маложестких изделий. 28.03.2016.

102. RU 2581414. Способ стабилизации параметров шарикоподшипников. 24.03.2016.

103. RU 2581408. Способ стабилизации параметров подшипника. 24.03.2016.

104. RU 2457100. Способ релаксации остаточных напряжений.

27.07.2012.

105. RU 2478031. Способ релаксации остаточных напряжений.

27.03.2013.

106. RU 2595076. Способ стабилизации параметров длинномерных цилиндрических деталей. 01.08.2016.

хо

х2

х3

х1х2

х1х3 х2х3 х1х2х3

у1 у2 у3 уо

5 3 4 4

15 13 12 13

13 12 14 13

24 21 27 24

24 27 21 24

34 29 33 32

33 34 29 32

40 36 38 38

зу(2) 0,403 1,716 0,782 5,374 7,295 4,571 5,104 2,407

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ь4 Ь5 Ь6 Ь7 I Б;2 Б;2 тах 28 Сум зу(2) 27,651

22,4875 4,2625 4,2625 9,0125 0,0125 0,7625 0,7625 0,4875 7 7,295

0,02 0,10 0,01 в 0,2638 СГ 0,264

-3,00 -3,00 -3,00 п 5 2 8 0,87 0,6062 И зу(2) 0,510 3,456

Ь0 75,1 Ь1 -0,085 -0,426 -0,090 N Окр з(Ь) 1(95) 1,073 2,100

О^кр однородна Ькг 2,254

У1 (у1-уо)2 Бу итах итт

5 1,103 0,634 17,166 -12,28

13 0,226 1,310 16,248 -12,32

13 0,226 0,885 30,411 -26,12

22 4,000 2,318 -4,278 5,2125

23 1,051 2,701 1,2382 1,2108

32 0,250 2,138 1,1296 1,4119

32 0,250 2,259 -12,14 12,814

40 4,101 1,551 -7,126 10,778

проверка значимости

Бу2 tТ Ь1 Ь2 3,46 2,12 22,49 -4,26 Бас1Л2 Рр Р У1

эА2Ы 9,22 У2

бЫ 3,04 Fкр

дов.инт. 0,364 F-Fкр

вывод

вывод Адекв.

х

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

хо х1 х2 х3 х1х2 х1х3 х2х3 х1х2х3

1 1__1__1__1__1__1__1

1 -1__1__1__-1 -1__1__-1

1 1__-1__1__-1__1__-1 -1

1 -1 -1__1__1__-1 -1__1

1 1__1__-1__1__-1 -1 -1

1 -1__1__-1 -1__1__-1__1

1 1__-1 -1 -1 -1__1__1__

1-1-1-11 1 1-1

оп-

у1 у2 у3 уо зу(2) тим эу

1,05 1,03 1,07 1,050 0,000 1,026 0,000571 0,016

1,16 1,18 1,05 1,129 0,003 1,118 0,000114 0,057

1,10 1,16 1,20 1,154 0,002 1,146 0,000055 0,041

1,20 1,16 1,23 1,197 0,001 1,239 0,001764 0,029

1,21 1,27 1,17 1,216 0,002 1,231 0,000214 0,041

1,35 1,26 1,30 1,303 0,001 1,323 0,000398 0,037

1,28 1,34 1,39 1,335 0,002 1,351 0,000280 0,047

1,48 1,49 1,51 1,495 0,000 1,444 0,002631 0,011

итах итт

7,9608 0

3,899 -2,311

8,649 -8,031

0,1162 3,3712

1,2954 1,139

2,3539 0,7625

-5,638 6,4904

-24,2 30,592

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3

1,235 -0,046 0,02 -3,00 -0,060 0,10 -3,00 -0,102 0,01 -3,00

Ь0 Ь1

0,0009 0,0060 0,0010

Ь4

0,005

0,00 -0,06 -0,30 9,00

Ь1*Ь2 Ь1*Ь3 Ь2*Ь3 0,0000 0,0000 0,0000

Ь5

0,016

0,00 -0,06 -0,03 9,00

Ь6

0,017

0,00

9,00

Ь7

-0,014 Рк к Р

Сум

I 0 эу(2) 0,011

В,2

тах 0 0,003

в 0,2834 СГ 0,28

5 И 0,51

п 2 эу(2) 0,001

8

N 0,87 э(Ь) 0,022

Окр 0,5866 1(95) 2,1

одно-

О^кр родна Ькг 0,0456

проверка значимости

вывод

Бу2 0,00 Sadл2 0,0045

tТ 2,12 Рр 3,1915

Ь1 1,23 Р 5

Ь2 -0,05 У1 8

БА2Ы 0,00 У2 16

бЫ 0,06 Fкр 5,8

дов.интер

вал 0,007 Р^кр -3

вывод Адекв.

хо х1 х2 х3 х1х2 х1х3 х2х3 х1х2х3 у1 у2 у3 уо зу(2) у* эу итах итт

1 1 1 1 1 1 1 1 0,058 0,081 0,069 0,069 0,000088 0,069 0,000000 0,009 3,7973 -1,668

1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 0,105 0,085 0,095 0,095 0,000067 0,095 0,000000 0,008 6,6136 -4,899

1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 0,09 0,095 0,112 0,099 0,000089 0,100 0,000001 0,009 8,7083 -6,372

1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 0,117 0,127 0,134 0,126 0,000049 0,126 0,000000 0,007 -2,007 5,16

1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 0,099 0,121 0,112 0,111 0,000082 0,114 0,000008 0,009 1,1442 1,292

1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 0,14 0,149 0,135 0,141 0,000034 0,140 0,000003 0,006 2,3593 0,058

1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 0,141 0.134 0,155 0,148 0,000049 0,145 0,000010 0,007 -9,571 12,86

1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 0,159 0,181 0,166 0,169 0,000084 0,171 0,000005 0,009 -3,777 5,63

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ь4 Ь5 Ь6 Ь7 I в12 0 Сум эу(2) 0,00054 проверка значимости

0,120 -0,013 -0,016 -0,022 0,0-01 0,000 0,001 0,001 тах 0 0,00009 Бу2 0,00 Sadл2 0,0000

0,02 0,10 0,01 в 0,164 СГ 0,16 tТ 2,12 Рр 0,3071

-3,00 -3,00 -3,00 п 5 2 8 0,87 И эу(2) 0,51 0,00007 Ь1 Ь2 0,12 -0,01 Р У1 5 8

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 N э(Ь) 0,005 эА2Ы 0,00 У2 16

0,2730 0,0-003 0,0016 0,0-002 Окр 0,706 1(95) 2,1 бЫ 0,01 Fкр 5,8

G-Gкр однородна Ькг 0,00997 дов.интервал 0,002 Р^кр -5

вывод __вывод адекв.

Протокол испытаний на ОАО «ЕПК-Саратов»

Протокол

испытаиий эффективности вибромеханической стабилизации колец подшипников

В соответствии с Планом-графиком проведения опытно-конструкторских работ АО «ЕПК Саратов», далее ЕПК Саратов, и СГТУ имени Гагарина Ю.А., далее СГТУ, по испытанию установки для вибромеханической стабилизации (ВМС) колец подшипников были выполнены следующие работы:

1. СГТУ разработало и изготовило макет установки для вибромеханической стабилизации колец подшипников.

2. ЕПК Саратов из общего потока производства отобрала 60 наружных колец подшипников ШС20 и произвела их маркировку и измерение по основным геометрическим параметрам:

- овальности (измерялось прибором Та1угопс1);

- гранности (измерялось прибором Га1угопс1);

- волнистости (измерялось прибором Та1угопс1);

- наружному диаметру (измерялосьприбором Д-412М с 1ИГП).

3. Кольца были разделены на три партии. Две партии колец в количестве по 24 штуки в каждой подверглись соответственно ВМС и стабилизирующей термической обработке (СТО), третья партия в количестве 12 штук использовалась для отработки рациональных условий ВМС и подвергалась измерению остаточных напряжений с помощью разрушающего метода контроля.

4. ВМС первой партии осуществлялась на макете трехвалкового бесцентрового автомата мощностью 2 кВт при следующих режимах: угол пересечения осей валков а=2,2 градуса, максимальная деформация колец Д=0,099 мм, частота вращения валков п=30 об/мин.

5. Вторую партию колец в количестве 24 штук ЕПК Саратов использовала для проведения СТО в соответствие с действующей технологией. Обработка осуществлялась в электропечи СКО-8.55.4/3 мощностью 55 кВт при температуре 135-145°С в течении 3 часов. Охлаждение осуществляется на спокойном воздухе. Средний коэффициент загрузки печи составляет 0,22.

6. По результатам измерения колец осуществлялся расчет статистической значимости полученных результатов с использованием критерия Стьюдента с уровнем достоверности 95%.

«СОГЛАСОВД110»

«УТВЕРЖДАЮ»

7. Статистическая обработка результатов измерений позволила установить, что после термической обработки произошло снижение остаточных напряжений в 2,8 раза в среднем, после вибромеханической обработки произошло снижение остаточных напряжений в 7 раз в среднем. После термического отпуска рассеяние величины напряжений уменьшается в 3 раза, после вибромеханической обработки, среднеквадратическое отклонение уменьшается в 9 раз по сравнению с исходным значением деталей без стабилизирующей обработки. Результаты статистической обработки остаточных напряжений представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Статистические параметры остаточных напряжений колец

Помер кольца Деформация, мкм Напряжение, МПа

Без стабилизирующей обработки (БО)

Ср -12,7 117,9

ско - 28,4

После термической обработки (ТО)

Ср -4,4 41,3

СКО - 9,1

После вибромеханической обработки (ВМО)

Ср -1,8 17,1

СКО - 2,9

8. При пересчете затрат электроэнергии на 1000 колец 11120.01 ГОСТ 363578 для вибромеханической стабилизации требуется 0,27 КВтч, для термического отпуска той же партии колец требуется 19 КВтч, что более чем в пятьдесят раз превышает затраты энергии при вибромеханической стабилизации.

9. Полный цикл изготовления изделия при использовании операции термического отпуска составляет 7,55 часов, а при использовании вибромеханической стабилизации 2,4-10"3 часа, что позволяет сократить затраты на незавершенное производство более чем на 30%. Основные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные показатели термической и вибромеханической обра

ботки

Метод стабилизации Остаточные напряжения, Мпа Производительность, шт./час Затраты энергии, кВтчас/1000шт Цикл изготовления изделия, час

ВМО 17 6670 0,27 2,4-10"3

ТО 41 1311 19 7,55

10. Операция термического отпуска в сравнении с операцией вибромеханической стабилизации характеризуется:

- повышенным выделением тепла в окружающую среду на протяжении всего цикла обработки партии;

- выделением продуктов сгорания в окружающую воздушную среду;

- повышенным энергопотреблением на изготовление изделий;

- занимает большие производственные площади.

Операция вибромеханической стабилизации лишена перечисленных недостатков, что позволяет считать её экологически безопасной в сравнении с операцией термического отпуска.

Рекомендации:

1. Рекомендовать руководству АО «ЕПК Саратов» изучить возможность внедрения в производство процесса ВМС колец подшипников качения и шарнирных подшипников, так как ВМС по сравнению с ТСО экономит электроэнергию, более производительна, снижает расходы на капитальные вложения и экологически безопасна.

От АО «ЕПК Саратов»

От СГТУ имени Гагарина Ю.А. Руководитель проекта

Акт внедрения на ОАО «ЕПК-Саратов»»