Рисунок 5 - Комплекс аппаратуры для исследования дифференцированного гидродробеструйного упрочнения цилиндровых втулок

высокофорсированного дизеля

В поверхностном слое всех сечений цилиндровой втулки уровень поверхностных напряжений получают дифференцированным упрочнением по высоте втулки от нижней точки опорного фланца. По специальной методике программируют изменение технологических параметров потока шариков во времени при обработке поверхности цилиндровой втулки на установке ГДЭУ-5.

На рисунке 6 изображена предлагаемая схема гидродробеструйного упрочнения на установке ГДЭУ-5. Схема содержит рабочую камеру (на рисунке не показана), цилиндровая втулка 1 установлена на оси привода вращения 2, имеющей движение W, дробеструйный пистолет 3, установленный с возможностью перемещения по осям X, Y и поворота по углу атаки D от манипулятора 4. При программировании для выявленных зон устанавливается текущее значение времени t ГДУ участков цилиндровой втулки и угла атаки α как функции от перемещений X, Y, W, обеспечивающих достижение заданного уровня остаточных напряжений. В соответствии с программой осуществляют гидродробеструйную обработку поверхности цилиндровой втулки по зонам дифференцированным упрочнением металла поверхностного слоя.

Таким образом, цилиндровая втулка предварительно нагружается остаточными напряжениями в строгом соответствии с уровнем действующих рабочих динамических напряжений в различных участках поверхности втулки.

Р_ж.=f(Y,W)

№ зоны

W

ω

Y

3

1

2

3

1

4

5

Х

2

4

1-цилиндровая втулка; 2- ось привода вращения;

3- дробеструйный пистолет; 4-манипулятор.

Рисунок 6 – Схема дифференцирлванного ГДУ цилиндровой втулки

высокофорсированного дизеля

Описываемый способ позволяет активно управлять дифференцированным упрочнением различных участков поверхности цилиндровой втулки, что дает возможность в 3,5÷4 раза снизить неравномерность распределения результирующих напряжений, существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность участков при усталостном нагружении детали. Опыт дифференцированного гидродробеструйного упрочнения цилиндровых втулок в производственных условиях позволяет прогнозировать возможность поверхностного пластического деформирования серийных втулок на промышленной ГДЭУ с программируемым заданием параметров и контроля.

2.2 Концентрация напряжений в цилиндровой втулке в условиях поверхностного пластического деформирования

Усталостная прочность цилиндровых втулок современных дизелей при динамическом нагружении обеспечивается в основном снижением действующих динамических напряжений, увеличением размеров сечений, нейтрализацией концентрации напряжений и применением высокопрочных материалов.

---

В этих условиях гораздо большее значение приобретают другие направления увеличения сопротивления усталости, которые связаны с прогрессивными безотходными и высокоэффективными методами упрочнения только тех мест концентрации, где усталостное разрушение наиболее вероятно.

Анализ усталостных разрушений цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей показывает, что зарождение усталостной трещины наблюдается в галтельном радиусе перехода опорного фланца в образующую стенку втулки в зоне наименьшего сечения. Подобная закономерность трещинообразования свидетельствует о высоком уровне рабочих динамических напряжений и наличии их концентрации с высоким градиентном.

Для снижения концентрации напряжений и повышения несущей способности галтельной зоны цилиндровой втулки целесообразно применение поверхностного пластического деформирования - упрочнение радиусного перехода опорного фланца во втулку гидродробеструйной обработкой, позволяющей регулировать свойства поверхностного слоя формированием в нем остаточных напряжений.

При действии знакопеременных нагрузок основное значение приобретает не характер распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя детали, а величина и знак напряжений на поверхности /67/. Поэтому на служебные свойства гидроупрочненной цилиндровой втулки решающее значение оказывают направленные вдоль втулки осевые остаточные напряжения сжатия, так как проявление последних совпадает с развивающимися рабочими динамическими напряжениями.

Кроме того, безотходная технология изготовления цилиндровых втулок предусматривает компенсацию разупрочняющего влияния обезуглероженного слоя гидродробеструйной обработкой, что, в свою очередь, требует исследования влияния остаточных напряжений на несущую способность упрочненных цилиндровых втулок.

В технической литературе отсутствуют обобщенные публикации по проблеме повышения сопротивления усталости цилиндровых втулок дифференцированной гидродробеструйной обработкой, чем тормозится развитие работ в этой области и практическое применение их результатов.

Для комплексной оценки изменения физико-механического состояния поверхностного слоя в зоне концентрации напряжений на радиусе галтельной зоны цилиндровой втулки при гидродробеструйной обработке в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» используют контрольные пластины как образцы-свидетели, изготовленные в масштабе 5:1 из материала упрочняемой детали, пологая при этом, что статистическая стрела прогиба является мерой интенсивности и стабильности процесса гидродробеструйной обработки упрочняемой конструкции.

Так как остаточные напряжения сжатия искажают форму галтельного радиусного перехода, целесообразен новый поход к оценке остаточных напряжений в условиях виброударного нагружения при гидродробеструйной обработке.

---

Схема экспериментального определения остаточных напряжений в отдельной полоске галтельной зоны, представленная на рисунке 7 содержит жестко закрепленный поверхностный элемент 1 радиусом R, впадина которого односторонне обрабатывается виброударно шарами из сопла 2 в камере установки ГДЭУ-5. На противоположной стороне поверхностного элемента наклеиваются рабочие R₁ и R₂ компенсационные тензодатчики, причем, тензодатчик R₂ устанавливается на плоском участке элемента в непосредственной близости от тензодатчика R₁, наклеенного в скругленной зоне. Такая схема установки позволяет исследовать напряженное состояние как плоского, так и скругленного участков галтельной зоны, исключить, таким образом, погрешности, связанные с изменением напряженного состояния на концах образца (краевой эффект).

2

1

Y₀

H

M_P

R₂

R₁

K

P=1

R

φ

ψ

1 - поверхностный элемент; 2- соплo;

3 – усилитель; 4 – осциллограф; 5 – блок питания

4

5

3

Рисунок 7 - Схема исследования остаточных напряжений в галтельнои зоне и на плоском участке образца-свидетеля при гидродробеструйной обработке

2.3 Безотходный технологический метод релаксации остаточных

напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля

Цилиндровые втулки высокофорсированных дизелей ЧН 21/21 изготавливают из чугуна марки АХНММ. Объясняется это, прежде всего тем, что при изготовлении втулок чугун имеет значительные технико-экономические преимущества перед другими сплавами.

Характерной особенностью чугунных втулок, как показали проведенные исследования, является возникновение в них эксплутационных динамических напряжений, не превышающих 55 МПа. Это позволяет с точки зрения прочности допускать в них достаточно большие остаточные напряжения.

В то же время к точности чугунных втулок и чистоте рабочей поверхности предъявляются очень высокие требования. Так, например, допуск на внутренний диаметр втулки должен составлять 0,046 мм.

Таким образом, основным требованием, предъявляемым к чугунным цилиндровым втулкам, является обеспечение высокой стабильности их размеров независимо от величины сохранившихся остаточных напряжений.

Известно, что чугунные отливки втулок с остаточными напряжениями самопроизвольно деформируются в течение достаточно длительного времени (деформация коробления). Основным способом уменьшения коробления отливок является «старение» путем вылеживания, низкотемпературного отжига и вибрации.

Однако, в последнее время рядом исследователей доказано, что в чугунных отливках происходит сравнительно небольшое снижение остаточных напряжений при их длительном вылеживании и вибрационном старении /36/.

Известны также способы обработки металлов ультразвуком для снятия остаточных напряжений /93/.

Недостатком известных способов стабилизации является низкая работоспособность детали, обусловленная высоким уровнем остаточных напряжений как после литья, штамповки, механической обработки, так и после стабилизации их различными способами. Вибрационная обработка /51/ таких отливок должна производится при режиме вибрационного старения. Использовать режимы, создающие высокие вибрационные напряжения опасно, так как возможно разрушение отливок.

---

Следовательно, в известных методах не обеспечивается полная стабилизация остаточных напряжений в отливках цилиндровых втулок. К тому же параметры вибрации, определяющие степень стабилизации размеров цилиндровых втулок, до настоящего времени не ясны.

В связи с этим требуется более глубокое изучение причин, вызывающих релаксацию остаточных напряжений в цилиндровых втулках, а также условий, при которых релаксация прекращается. Для решения указанной проблемы в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» разработан безотходный динамический метод релаксации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки, включающий вибрационное старение последней ультразвуковой обработкой.

Для реализации метода разработана схема ультразвуковой установки (рисунок 8), состоящая из ультразвукового генератора 1 марки УЗГ-2-ЧМ для преобразования электрической энергии в 50 Гц в энергию ультразвуковой частоты, ванны 2, в основании которой монтируется магнитострикционный преобразователь МСП-6-22 с установленной на его плиту цилиндровой втулкой. Средством анализа и обработки информации 4, например, прибором ИОН-4М регистрируют остаточные напряжения в поверхностном слое цилиндровой втулки. Всей блок-схемой управляют через систему управления 5.

Метод релаксации остаточных напряжений в цилиндровой втулке реализуется следующим путем: устанавливают цилиндровую втулку 3 на плиту магнитострикционного преобразователя 2, включают в электросеть питание и управление схемой 5, после чего устанавливают резонансную частоту работы магнитострикционного преобразователя 2 и ультразвукового генератора 1 в пределах 19÷21 КГц с амплитудой колебаний в 50 ÷ 80 микрон путем увеличения мощности потребителя до 3 ÷ 3,5 КВт.

Производят обработку цилиндровой втулки ультразвуковыми колебаниями в течение 10÷12 минут. Степень стабилизации остаточных напряжений в цилиндровой втулке оценивают по истечении 24 часов, после ультразвуковой обработки цилиндровой втулки.

1

2

3

4

УЗГ

МСП

Втулка

САиОИ

Питание

5

1-ультразвуковой генератор; 2- магнитострикционный преобразователь;

3- цилиндровая втулка; 4- средство анализа и обработки информации;

5- питание и управление схемой.

Рисунок 8 - Блок-схема для ультразвуковой обработки цилиндровой

втулки вибрационным старением

При увеличении резонансной частоты более 21 КГц снижается амплитуда ультразвуковых колебаний (менее 50 микрон), что приводит к затуханию волнового движения и неработоспособности схемы стабилизации остаточных напряжений.

При снижении резонансной частоты менее 19 КГц увеличивается амплитуда ультразвуковых колебаний более 80 микрон, которая создает обратные колеба-ния. Последние гасят амплитуду ультразвуковых колебаний, увеличивая время на обработку цилиндровой втулки свыше 12 минут, что нецелесообразно.

---

В таблице 1 в качестве примера и доказательства положительного эффекта представлены величины остаточных напряжений в цилиндровых втулках после чистового растачивания и операции «хромирование». Пояса замеров и номера сечений втулки представлены на рисунке 9.

В таблице 2 показаны величины остаточных напряжений в цилиндровых втулках, стабилизируемых во времени после ультразвуковой обработки по истечении 24 часов.

Таблица 1 – Остаточные напряжения в цилиндровых втулках после растачивания и «хромирования»

Пояс замера	Перед ультразвуковой обработкой, МПа			После ультразвуковой обработки, МПа			№ цилиндровой втулки
	1	2	3	1	2	3
а	220	220	200	25	10	35
в	280	280	180	35	35	35	735
с	200	250	240	0	35	10
а	260	280	340	25	10	10
в	240	180	150	10	25	10	736
с	240	260	220	0	0	0
а	300	320	300	25	35	35
в	340	320	360	35	25	10	737
с	340	280	340	0	10	0

Таблица 2 – Остаточные напряжения в цилиндровых втулках после ультразвуковой обработки

№ цилиндровой Цилиндровой втулки	№735			№736			№737
втулки	МПа			МПа			МПа
Пояс замера	1	2	3	1	2	3	1	2	3
а	0	10	0	35	10	10	35	10	0
в	0	35	35	10	25	25	0	10	0
с	10	0	15	0	35	25	10	0	0

Таблицы 1, 2показывают, что после обработки цилиндровой втулки вибрационным старением с ультразвуковыми колебаниями остаточные напряжения в поверхностном слое уменьшаются со 180÷340 МПа до 0÷35 МПа и затем стабилизируются во времени.

Таким образом способ стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля повышает работоспособность конструкции путем снижения остаточных напряжений и их стабилизации во времени. Механизм влияния ультразвуковых колебаний на остаточные напряжения в процессе вибрационного старения цилиндровой втулки предусматривает пластические сдвиги в структуре металла, которые способны уменьшить уровень остаточных напряжений. Напряжения, возникающие в цилиндровой втулке при ультразвуковой обработке, суммируются с остаточными напряжениями и вызывают в отливке пластическую деформацию.

---

Смотрите также файлы

• БЖД .doc

• Ведомость .doc

• доклад на 10 минут.doc

• реферат (eng).doc

• реферат (rus).doc