Использование: изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении торсионных валов. Сущность изобретения: формообразование валов проводят раскатыванием со степенями деформации 15 — 55%, отжигают при 450 — 550°С, нагревают сначала до со скоростью 4 — 6°С, а затем до температуры закалки со скоростью 1 — 2°С/с, после чего охлаждают или осуществляют кручение. Дальнейшие упрочняющие операции включают ориентированный наклеп, обкатывание роликами и повторный ориентированный наклеп, при этом направление закручивания торсионных валов при первом и втором ориентированных наклепах совпадает с направлением закручивания при термомеханической обработке. 1 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении торсионных валов.
В современном машиностроении известны способы обработки стальных изделий, включающие термическую обработку и холодную упрочняющую обработку [1].
Недостатками этого способа являются недостаточная работоспособность деталей, высокая трудоемкость изготовления и низкий коэффициент использования металла.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ упрочнения стальных торсионных валов, включающий термическую или термомеханическую обработку, ориентированный наклеп с коэффициентом деформации К=0,32-0,44, обкатывание роликами выполняют при контактных напряжениях 6000-8500 МПа, а повторный ориентированный наклеп проводят с коэффициентом заневоливания К= 0,47-0,56, при этом направления первого и второго ориентированных наклепов совпадают [2].
Известный способ не позволяет повысить работоспособность торсионов и уменьшить трудоемкость их изготовления. Коэффициент использования металла при этом способе низкий и составляет 0,7-0,75, технологический процесс не поддается автоматизации.
Целью изобретения является повышение работоспособности торсионов при одновременном увеличении коэффициента использования металла и снижении трудоемкости изготовления.
Это достигается тем, что в известном способе обработки торсионных валов перед термической или термомеханической обработкой проводят холодное формообразование раскатыванием со степенями деформации 15-55% и отжиг при температуре 450-550 о С, а термическую или термомеханическую обработку осуществляют с использованием двухступенчатого нагрева: до точки Ас1 со скоростью 4-6 о С/с, а затем до конечной температуры со скоростью 1-2 о С/с. При этом направление закручивания торсионных валов при первом и втором ориентированных наклепах должно совпадать с направлением кручения торсионов при ТМО. Такое сочетание отличительных признаков по отношению к известному способу является новым, и поэтому данное техническое решение соответствует критерию новизны. Повышение работоспособности деталей обеспечивается применением специального режима отжига после раскатывания и использованием двухступенчатого регламентиpованного нагрева при термической или термомеханической обработке, а также совпадением направления закручивания торсионных валов при ориентированных наклепах и ТМО.
Отжиг при температуре 450-550 о С повышает работоспособность раскатанных торсионов, — пластичность при кручении увеличивается на 40-60%, циклическая долговечность на 50-70%. Увеличение свойств вызвано изменением структурного состояния мартенсита (повышением его дисперсности и однородности), более полным растворением первичных карбидов, обусловленными структурными изменениями при холодной деформации и последующими полигонизационными процессами.
Проведение отжига при температурах менее 450 о С понижает работоспособность торсионных валов: пластичность при кручении падает на 30%, циклическая долговечность на 50%, что объясняется формированием более грубой структуры с правильными границами мартенситных кристаллов и пониженной дисперсностью.
Отжиг при температуре выше 550 о С приводит к уменьшению пластичности при кручении на 20% и циклической долговечности на 45% в связи с протеканием процессов рекристаллизации холодно- деформированного металла.
Применение регламентированного двухступенчатого нагрева при термической обработке обеспечивает получение однородной структуры мартенсита по сечению термообработанных торсионов. В противном случае происходит снижение пластических свойств при кручении торсионов и циклической долговечности. Скоростной нагрев одновременно устраняет склонность к рекристаллизационному росту зерна холоднодеформированных заготовок и снижает трудоемкость изготовления деталей за счет уменьшения припусков под шлифование по сравнению с печным нагревом.
Нагрев осуществляют в две стадии.
Первый нагрев до точки Ас1 проводят при скорости нагрева 4-6 о С/с. При скоростях ниже 4 о С/с будут развиваться процессы рекристаллизации холодноде- формированного металла, выше 6 о С/с не обеспечивается однородность температуры по сечению торсиона.
Читайте также: Болт промежуточного вала 2101
Второй нагрев от точки Ас1 до конечной температуры осуществляют со скоростью 1-2 о С/с для обеспечения равномерного нагрева и однородной структуры по сечению торсионного вала. При скоростях нагрева ниже 1 о С/с наблюдается падение упругих свойств, увеличение разницы роста зерна аустенита (собирательной рекристаллизации) и значительного перепада температуры по сечению детали вследствие интенсивного отвода тепла от поверхности слоев. Кроме этого, при малой скорости нагрева (большое время нахождения в интервале температур между начальной и конечной температурой нагрева) происходит обезуглероживание поверхности деталей, что понижает их работоспособность, — остаточная пластическая деформация увеличивается на 50-70% с увеличением глубины обезуглероживания на 0,1 мм.
Увеличение скорости нагрева сверх указанной приводит к падению упругих свойств и пластичности при кручении на торсионных валах, т.к. при этом не обеспечивается получение гомогенного аустенита из-за неполного растворения первичных карбидов, что приводит к образованию большого количества пластинчатого мартенсита и увеличению степени его неоднородности.
В случае использования термомеханической обработки закручивание при I и II ориентированных наклепах должно совпадать по направлению с закручиванием торсионных валов при ТМО, т.к. в противном случае нарушается ориентиpованность упрочнения, созданная деформацией кручением как при ТМО, так и при I и II ориентированных наклепах, что приводит к значительному снижению упругих свойств торсионных валов до значений ниже величин, требующих обеспечения работоспособности торсионных валов. В силу сказанного оценить долговечность торсионных валов в этом случае не представляется возможным из-за появления значительной остаточной пластической деформации.
Сочетание всех перечисленных факторов приводит к повышению работоспособности торсионных валов: циклическая долговечность увеличивается на 50-70%, пластичность при кручении на 40-60% по сравнению с существующим способом.
Повышение коэффициента использования металла до 0,88-0,93 и снижение трудоемкости изготовления на 20-30% обеспечиваются тем, что при предлагаемом способе торсионный вал раскатывают на требуемые размеры из цилиндрической заготовки, имеющей меньшую длину, чем при известном способе, и в процессе раскатывания ее удлиняют до требуемой конечной длины торсионного вала в отличие от известного способа, при котором подвергают механической обработке со значительным съемом стружки заготовку той же длины, что и торсионный вал. Экономия металла при предлагаемом способе составляет 15-25%.
Раскатывание со степенями деформации менее 15% не обеспечивает формообразования торсионных валов требуемой геометрии без дополнительного съема металла.
Степень деформации при раскатывании не должна превышать 55%, т.к. при больших степенях холодной пластической деформации образуются микротрещины, которые не залечиваются при последующих обработках, в результате чего работоспособность деталей понижается.
П р и м е р . Проводили обработку торсионных валов диаметром 39 мм из стали 45ХН2МФА-Ш. Торсионы подвергали обработке по вариантам, представленным в таблице. Оценку работоспособности (число циклов до разрушения), пластичности при кручении (упругие свойства) торсионных валов осуществляли стендовыми испытаниями. Одновременно проводили испытания торсионных валов, обработанных по известному способу.
Известный способ (прототип): механическая обработка — термическая или термомеханическая обработка, ориентированный наклеп К=0,32-0,44; обкатывание роликами (контактные напряжения 7000-8500 МПа), ориентированный наклеп К=0,47-0,56, при этом направления I и II ориентированных наклепов совпадают.
Предлагаемый способ: холодное раскатывание со степенями деформации =15-55%, отжиг при температуре 450-550 о С, термическая или термомеханическая обработка с использованием двухступенчатого нагрева до точки AC1, со скоростью 4-6 о С/с, а затем до конечной температуры со скоростью 1-2 о С/с, направления I и II ориентированных наклепов совпадают с направлением кручения при ТМО.
Одновременно проводили испытания торсионных валов, обработанных по предлагаемому способу по режимам выше и ниже граничных.
Из таблицы видно, что использование предлагаемого способа обработки торсионных валов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: повышение работоспособности торсионных валов в результате роста циклической долговечности в 1,5-1,7 раза при одновременном увеличении коэффициента использования материала на 15-25% и снижении трудоемкости изготовления на 20-30%.
Читайте также: Эвольвент вала что это
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ, включающий термическую или термомеханическую обработку, предварительный ориентированный наклеп, обкатывание роликами и окончательный ориентированный наклеп, совпадающий по направлению с предварительным ориентированным наклепом, отличающийся тем, что, с целью повышения работоспособности торсионных валов, перед термической или термомеханической обработкой проводят холодное формообразование валов со степенями деформации 15 — 55% и отжиг при 450 — 550 o С, а нагрев под термическую или термомеханическую обработку осуществляют ступенчато, сначала до Ас1, со скоростью 4 — 6 o С/с, а затем до температуры закалки со скоростью 1 — 2 o С/с.
Термическая обработка торсионного вала
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОРСИОНОВ СЕРИЙНЫХ ТАНКОВ
Л. С БАБАШКО, Е. Е. ЗАХАРОВА, Н. С. КУДРЯВЦЕВА, В. С. СЫСОЕВА,
Вестник бронетанковой техники, № 3 . 19 85
По действующему положению в отрасли проводятся периодические контрольные стендовые испытания торсионных валов серийных танков. Значение контрольных испытаний, проводимых по единой методике на одном и том же предприятии, заключается в том, что они позволяют своевременно исправить отдельные случаи нарушения технологии изготовления торсионных валов на заводах, выпускающих основные танки.
Проводится два вида испытаний: на усталость при циклическом деформировании кручением и статическое кручение. В первом случае проверяют два вала в месяц (для танка Т-80 — два вала в квартал). Торсионы для испытаний отбирает представитель заказчика в присутствии представителя завода изготовителя .
На статическое кручение отбирают один вал в месяц. По результатам этих испытаний определяют экспериментальную характеристику упругости (предел пропорциональности), а также пластичность торсионов, оцениваемую по относительному максимальному сдвигу при кручении γ max ( п процентах), который определяется по углу разрушения вала φ max по формуле
где d0 – диаметр стержня вала, мм ; l – расчетная длина вала, см.
Указанные характеристики позволяют оценивать качество термической обработки и комплексного упрочнения торсионов.
Известно [1], что долговечность торсионных валов зависит от многих факторов: геометрических размеров, качества термообработки и самого металла, режима поверхностного упрочнения и принятой схемы упрочнения, режима испытания и др.
Торсионные валы изготавливают из стали 45ХН2МФА-Ш [2], обрабатывают на высокую прочность σв = 2000. 2200 МПа (закалка, отпуск 220±10 °С) и упрочняют по схеме: заневоливание , обкатывание , повторное заневоливание . Однако имеются различия в технологии производства валов различных машин. Поэтому для каждого чертежа торсионного вала режимы испытаний различны (табл. 1).
Периодические испытания в течение 22 лет дают богатый материал для анализа долговечности торсионов разных машин (табл. 2). При подсчете средней долговечности учитывалась долговечность валов, доведенных до разрушения или выдержавших более 500 тыс. циклов.
Представленные результаты свидетельствуют о том, что средняя долговечность высокопрочных торсионных валов в 2,5. 5 раз выше требований технических условий на деталь. Максимальная долговечность колеблется в пределах 866. 2 774 тыс. циклов в зависимости от режима испытания, упрочнения и геометрических размеров торсионов. Однако в отдельные годы торсионы выдерживали всего 150 тыс. циклов. В 1979, 1980, 1982 гг. были случаи преждевременного разрушения торсионов 434.51.059/060, в 1980 г . – 172.51.001, в 1982 г . – 219-33-1/2. Исследования торсионных валов, не выдержавших 15 тыс. циклов, показали, что разрушение их связано, как правило, с очевидным нарушением технологии или недостаточным качеством металла.
Таблица 1. Режимы периодических стендовых испытаний торсионных валов
Коэффициент асимметрии цикла R
Например, торсионный вал 172.51016 в 1980 г . был сломан после 26 тыс. циклов вследствие внутреннего дефекта металла во всю длину торсиона. Между тем техническими условиями ТУ 1-14-1725—76 расслоение стали 45ХН2МФА-Ш не допускается.
Разрушение валов 434.51.059 в 1977 г . после 97 тыс. циклов испытания было вызвано остаточным обезуглероживанием поверхности в связи с малым припуском на механическую обработку. Увеличение диаметра исходной заготовки с 53 до 55 мм позволило исключить систематический брак торсионов .
Таблица 2. Долговечность кондиционных торсионных валов различных танков
Читайте также: Разбитый подшипник первичного вала
Эквивалентные напряжения испытания τэкв , МПа
Долговечность кондиционных валов, тыс. циклов
выдержавших более 500 тыс. циклов
Следует отметить, что уровень выполнения технологии изготовления торсионов существенно отличается на различных предприятиях. Торсионные валы танка Т-80, производимые на одном из заводов, выдерживали 687,5 тыс. циклов в 1981 г . и 221 тыс. циклов в 1982 г . в то время как валы другого завода – 910 тыс. циклов кручения.
Немаловажную информацию дает анализ места разрушения торсионов. В 1982 г . все торсионы 219.33-1/2 были разрушены по шлицевым головкам, причем средняя долговечность понизилась в 2,5 раза. Это было связано с пропуском отдельных шлицев при обкатывании , с обкатыванием впадин роликами, с изношенной рабочей кромкой, с плохим качеством очистки окалины на шлицах и т. п.
При обкатывании роликами окалину вдавливали в поверхность впадин, вызывая местные надрывы, которые затем становились очагами разрушения. Специально проведенный контроль технологических параметров процесса обкатывания впадин непосредственно на заводе показал нарушение режима обкатывания : натяг роликов составлял 0,32 мм
Торсионные валы 434.51.059 наиболее часто разрушаются на расстоянии 75. 110 мм от головок. В среднем за все годы в этом месте ломалось 57 % деталей, в то время как по стержню – 16, по шлицевым головкам — 27% торсионов. Это свидетельствует о сочетании неблагоприятных факторов на этом участке вала: двойное выполнение шлифования, продольное раскатывание, упрочняющее обкатывание роликами стержня и галтелей.
Анализ характера, места разрушения и долговечности торсионных валов 172.51.016 показал, что в 1982 г . количество торсионов, разрушенных по стержню, не изменилось и составляло 74 % от общего числа разрушенных валов, однако средняя долговечность уменьшилась в 1,8 раза по сравнению с 1980 г . При этом 40 % торсионов разрушались в одном месте: на расстоянии 1 140. 1 200 мм от торца малой головки . Ранее, в 1980–1981 гг., этого не наблюдалось. Оказалось, что в 1982 г . в цехе использовались новые станки УВ-3. На старых станках УВ-1 и УВ-2 обкатывание стержня и галтелей осуществляется таким образом, что зона перекрытия обкатанных участков находится около галтелей, а при упрочнении на станке УВ-3 в центре вала на расстоянии 1 140. 1 200 мм от торца малой головки.
При разрушении торсионов по шлицевым головкам начальный очаг обычно расположен у поверхности впадины шлица. В одних случаях разрушение торсиона начинается от боковой поверхности шлица и вызвано усталостным разрушением отдельных шлицев от изгибных нагрузок. В других случаях разрушение начинается по впадине и приводит к усталостному разрушению головки вала. Расположение начального очага в поверхностном слое вала определяется тем, что при кручении наибольшие напряжения возникают на поверхности и уменьшаются к сердцевине вала.
Поэтому основными факторами, определяющими работоспособность торсиона при циклических нагрузках, являются состояние поверхностного слоя ( шлифовочные прижоги , обезуглероженный слой, механические повреждения, коррозия) и качество поверхностного упрочнения роликами. Следует учитывать также большую чувствительность высокопрочных торсионов к различным концентраторам напряжений. Кроме того, период развития усталостной трещины у высокопрочных сталей невелик и составляет примерно 10. 20 % от общей долговечности детали [3]. Сопротивление стали зарождению и развитию трещины повышают упрочнением (пластическое деформирование). Упрочнение поверхности является эффективным средством торможения усталостных трещин на начальном этапе их развития [4].
Стендовые испытания показали (табл. 3), что наибольшую долговечность имеют торсионы, начальные очаги разрушения которых расположены под упрочненным слоем на некотором расстоянии от поверхности, и наименьшую – у которых начальные очаги разрушения расположены у поверхности. Различие в долговечности может быть в 1,5. 3 раза. Таким образом, не меняя технологии изготовления серийных торсионов, можно повысить их долговечность лишь за счет качественного выполнения обработки поверхности и упрочнения ее обкатыванием .
Таблица 3. Изменение циклической долговечности в зависимости от положения начального очага разрушения торсионов, тыс. циклов
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала