Исправление погрешностей и стабилизация геометрических параметров изделий малой жесткости. Микродинамический метод


А. В. Королев, А. А. Королев




ИСПРАВЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ МАЛОЙ ЖЕСТКОСТИ.
МИКРОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД



Монография






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК ББК

621.01
34.6 К68

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А. А. Игнатьев; доктор технических наук, профессор А. Н. Васин




    Королев, А. В.
К68       Исправление погрешностей и стабилизация геометрических пара-
     метров изделий малой жесткости. Микродинамический метод : монография / А. В. Королев, А. А. Королев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 288 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0958-2

     Приведены теоретические основы и исследование нового микродинами-ческого метода, позволяющего исправлять погрешности геометрической формы, удалять остаточные напряжения и стабилизировать геометрические параметры маложестких изделий. Рассмотрен механизм процесса релаксации остаточных напряжений в изделиях микродинамическим методом. Предложена математическая модель, позволяющая выявлять закономерности этого процесса и прогнозировать его результаты. Приведены результаты производственных испытаний данного метода при изготовлении некоторых видов изделий: деталей типа колец, валов, упругих пластин. Определена область применения метода и его технико-экономическая эффективность.
     Для научных работников и специалистов промышленных предприятий, осуществляющих производство высокоточных маложестких изделий.

УДК 621.01
ББК 34.6








ISBN 978-5-9729-0958-2

     © Королев А. В., Королев А. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................8
1.1. Виды остаточных напряжений и их влияние на эксплуатационные свойства изделий...............................................8
1.2. Причины и механизмы образования остаточных напряжений и деформаций изделий...........................................10
1.3. Современные методы стабилизации геометриических параметров изделий и удаления остаточных напряжений.......................15
1.4. Технические средства и механизм стабилизации геометрических параметров изделий виброобработкой...........................20
1.5. Средства измерения и контроля остаточных напряжений и геометрических параметров изделий..........................27
1.6. Результаты патентных исследований.......................43
Список литературы............................................59

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИСПРАВЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ, РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
И СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ...............70
2.1. Механизм образования остаточных напряжений................70
2.2. Механизм микродинамической обработки......................83
2.3. Математическое моделирование процесса микродинамической релаксации остаточных напряжений...............................96
2.4. Метод исправляющей и стабилизирующей микродинамической обработки......................................................110
2.5. Моделирование механизма развития дефектов в виде стохастически расположенных в материале микротрещин.......................127
Список литературы...........................................144

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ МИКРОДИНАМИЧЕСКОГО
МЕТОДА ОБРАБОТКИ............................................146
3.1. Способы микродинамического метода обработки деталей типа колец..................................................146
3.2. Ультразвуковой способ микродинамической обработки кольцевых деталей...........................................158
3.3. Результаты промышленной апробации ультразвуковой технологии релаксации остаточных напряжений в кольцах подшипников качения.166
3.4. Способ бесцентровой микродинамической обработки деталей
типа колец с исправлением погрешностей геометрической формы.183

3

3.5. Производственные испытания технологии исправляющей микродинамической обработки колец подшипников упругой обкаткой между валками.............................................193
Список литературы.........................................218

ГЛАВА 4. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ МИКРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРУГЛЫХ УПРУГИХ ПЛАСТИН........................222
4.1. Механизм ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в круглой упругой пластине................................222
4.2. Производственные испытания технологии ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в упругой пластине датчиков
приборов давления........................................236
Список литературы .......................................244
Приложение...............................................246

ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНЫЙ СПОСОБ ЗАКАЛКИ И МИКРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
МАЛОЖЕСТКИХ СТЕРЖНЕЙ.....................................252
5.1. Теоретические основы лазерной микродинамической стабилизации геометрических параметров деталей........................252
5.2. Производственные испытания технологии лазерной микродинамической обработки торсионных валов.............272
Список литературы........................................283
Приложение...............................................285

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Технологические операции, направленные на формирование требуемых геометрических и физико-механических параметров формы и качества металлических изделий, неизбежно сопровождаются изменением их напряженно-деформированного состояния, вследствие чего возникают остаточные напряжения. В большей степени это относится к операциям с большими затратами энергии на упругопластическое и пластическое деформирование формы изделия и операции упрочняющей термической обработки. В частности, возникновение значительных остаточных напряжений происходит при получении литых заготовок, штамповое, проката, сварных изделий, при лезвийной, термической, шлифовальной обработке и обработке давлением.
     В процессе эксплуатации изделий под действием рабочих нагрузок происходит перераспределение или релаксация остаточных напряжений, что привод к изменению формы и качества слоя функциональной поверхности изделия. Эти изменения влекут за собой изменение режима и условий эксплуатации, и, как следствие, снижение надежности и срока службы изделий.
     Особенно заметное влияние релаксация остаточных напряжений оказывает на изделия, функционирующие в условиях циклических механических и температурных нагрузок. Такие изделия используются в различных видах современной техники, но наиболее высокие требования к качеству предъявляются в авиационной, космической, военной промышленности. В частности, остаточные напряжения являются одной из причин возникновения контактноусталостного износа в подшипниках качения, потери точности корпусных деталей, зубчатых и винтовых передач, деталей типа гладких и ступенчатых валов, распредвалов, коленчатых валов, подшипников скольжения и многих других изделий. Учитывая широкую номенклатуру изделий, потеря точности которых в эксплуатации зависит от наличия в их материале остаточных напряжений, можно сделать вывод о глобальном характере описанной проблемы.
     С целью снижения негативного влияния остаточных напряжений на эксплуатационную надежность и качество изделий в производстве на завершающих стадиях технологического процесса их изготовления или сборки традиционно применяют термические методы - низкотемпературный отпуск или старение. Низкотемпературный отпуск стальных изделий для снятия напряжений проводится при температуре 160-300 °С в течение длительного времени с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконапряженные зубчатые колеса, червяки и др.) нередко проходят отпуск несколько раз - после получения заготовки, например после сварки, после основной механической обработки при 570-600 °С в течение 2-3 ч и после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напряжений при температуре 160-180 °С в течении 6-12 часов. Некоторые маложесткие детали, например, торсионные валы, ходовые винты детали датчиков давления и другие, проходят трудоемкую операцию низкотемпературного отпуска по несколько раз с промежуточной и окончательной доводочной механиче

5

ской обработкой, что значительно повышает трудоемкость и затраты на изготовление изделий.
     Низкотемпературный отпуск имеет ряд существенных недостатков: большие затраты энергии, низкая производительность, длительность цикла обработки, необходимость использования дорогостоящего оборудования (печей) для осуществления обработки, большие потребные производственные площади, высокая квалификация обслуживающего персонала, тяжелые условия труда, отрицательное воздействие на окружающую среду и др.
     Кроме этого, у термического отпуска есть еще два главных недостатка:
     1)       потеря формы в результате деформации деталей после его осуществления, что требует проведения последующей механической обработки для восстановления их точности,
     2)       остаточные напряжения при этом методе уменьшаются до определенного уровня и в изделиях остается довольно высокий уровень остаточных напряжений.
     Недостатки термического метода релаксации остаточных напряжений и стабилизации геометрических параметров изделий вызывают необходимость поиска и изучения альтернативных механизмов, и разработки на их основе инновационных технологических методов релаксации остаточных напряжений. Особенно наглядно об актуальности данной проблемы говорит тот факт, что в Великобритании недавно были выделены значительные средства на выполнение гранта в сумме 251996 фунтов стерлингов (примерно 25 млн руб.) на поиск эффективного метода релаксации остаточных напряжений в сварных изделиях машиностроения. В аннотации к данному гранту говорится, что «проблема снятия остаточных напряжений стоит промышленности Великобритании миллионов фунтов стерлингов в год. И несмотря на то, что имеются частные решения задачи по снятию остаточных напряжений сварных швов, однако общей методики по снятию остаточных напряжений так и не было создано из-за отсутствия научного понимания. Целью проекта является увеличение научного понимания статических и динамических процессов прокатки для контроля сварных остаточных напряжений и искажений. Эти усовершенствования приведут к повышению безопасности, высокой производительности структур и, следовательно, повышению конкурентоспособности промышленности Великобритании». Если же учесть, что стабилизации геометрических параметров и релаксации остаточных напряжений подвергаются не только сварные изделия, но и многие другие, то масштаб указанной проблемы многократно возрастает.
     Как видно, решению задачи релаксации остаточных напряжений уделяется в мире огромное внимание. И особенно актуальным является снижение затрат на выполнение данной операции.
     В настоящее время предложено множество различных методов релаксации остаточных напряжений в стальных деталях, направленных на замену традиционного низкотемпературного отпуска. Но они не нашли применения в промышленности из-за присущих им недостатков.
     Микродинамический метод отличается от всех известных тем, что он решает проблемы, присущие другим методам: сохраняет и исправляет погрешно

6

сти формы изделий, уменьшает остаточные напряжения до любого требуемого уровня, сокращает затраты энергии, обеспечивает высокую производительность, может встраиваться в технологическую линию, не требует значительных капитальных вложений, экологически безопасен, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала, безопасен в работе.
     Одним из важных его свойств является высокая универсальность. Он может использоваться не только для изготовления высокоточных деталей, таких как детали подшипников, ходовые винты, многоступенчатые валы, распредвалы, карданные валы, зубчатые колеса, детали точных приборов, но и таких, как круглый, профильный и трубный прокат, заготовки деталей, получаемых отливкой, штамповкой, сваркой.
     Впервые микродимический метод предложили авторы проекта еще в 1998 году (патент 2140842). Эксперты ФИПС с трудом нашли прототип предлагаемому способу - Патент Франции № 13334.45, 1963 г., что свидетельствует о приоритете авторов в данной области. Авторами проекта были выполнены научные исследования, которые позволили разработать технологию и изготовить ультразвуковой полуавтомат для снятия остаточных напряжений, который прошел успешно испытания в условиях подшипникового производства. Данная технология и полуавтомат демонстрировался на международной инновационной выставке в Брюсселе в 2002 году и был награжден серебряной медалью. С тех под микродинамический метод был существенно усовершенствован.
     Ниже приводятся теоретические основы данного метода, и на примере изготовления некоторых видов деталей показана эффективность использования микродинамического метода в промышленности.

7

ГЛАВА 1


        АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

        1.1. Виды остаточных напряжений и их влияние на эксплуатационные свойства изделий

     По охватываемому объему материала и их влиянию на свойства деталей остаточные напряжения классифицируют на напряжения 1, 2 и 3 рода. Такая классификация впервые была предложена Н. Н. Давиденковым [3].
     • Напряжения I рода - макронапряжения, охватывающие область в пределах изделия, размеры которых одного порядка с размерами тела. Они являются следствием пластических микросдвигов между зернами и другими структурными элементами материала, возникающих под действием неоднородностью силового, температурного или материального поля внутри тела.
     • Напряжения II рода - микронапряжения, охватывающие область в пределах кристаллитов структуры материала, уравновешиваются в объемах одного порядка с размерами зерен и выражаются в размытии линий на рентгенограммах.
     • Напряжения III рода - ультрамикроскопические, возникающие в пределах кристаллической решетки, уравновешиваются в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой и выражаются в ослаблении интенсивности линий высших порядков на рентгенограммах и в усилении только диффузионного фона.
     При анализе методов стабилизации геометрической формы изделий и релаксации остаточных напряжений интерес представляют именно остаточные напряжения первого рода, так при изменении этих напряжений осуществляется деформация деталей. Напряжения 2-го и 3-го рода уравновешиваются в пределах своих микрообъемов и не вносят существенного вклада в общую картину распределения напряжений в объеме тела.
     По стадии возникновения остаточные напряжения разделяют на технологические и эксплуатационные. Технологические остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием физических и физико-химических процессов, возникают в материале при изготовлении детали или конструкции и продолжают действовать после изготовления. Эксплуатационные остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием процессов взаимодействия собственной внутренней энергии материала детали или конструкции с энергией внешнего поля, возникающие и накапливающиеся в материале в течение всего срока эксплуатации детали или конструкции.
     По физико-химической природе возникновения остаточных напряжений:
     • Температурные напряжения вызваны неравномерным распределением температуры по объему изделия при нагреве или охлаждении.

8

     •  Неоднородная пластическая деформация по сечению при холодном и горячем деформировании.
     •  Неравномерное по сечению распределение фазовых состояний в результате нагрева или охлаждения.
     •  Неоднородный состав вещества материала при внедрении атомов другого вещества.
     По технологическим причинам:
     •  При термических операциях (литье, закалка, отжиг) происходит неравномерный нагрев и охлаждение. Зависит от градиента температурных полей в объеме материала и скорости изменения температуры внешней среды.
     •  При сварке происходит неравномерный нагрев и неоднородные фазовые превращения в результате сильной разности температур между узко локализованным и остальным объемом изделия.
     •  При операциях давлением (ковка, штамповка, прокат) происходит неоднородное пластическое деформирование.
     •  При механической лезвийной обработке в результате резкого изменения температуры и давления, вследствие значительных сил трения-скольжения и высокой скорости упруго пластического деформирования в узко локализованной области поверхностного слоя металла.
     •  При химической (электролитическое осаждение) и химико-термической (азотирование, цементация) обработке поверхностного слоя металла происходит внедрение в кристаллическую решетку чужеродных атомов и последующее изменение объема структурных элементов, что приводит к появлению структурных остаточных напряжений в поверхностном слое.
     Значительное влияние остаточные напряжения оказывают на эксплуатационные показатели изделий.
     Влияние на прочность: при динамических нагрузках с большими скоростями, когда предел текучести повышается до уровня предела хрупкой прочности, наличие остаточных напряжений, имеющих линейный или плоский характер, может привести к понижению прочности [4]. Отрицательное влияние покрытий на усталостную прочность зависит от свойств материала подложки, свойств покрытий и технологии их нанесения.
     Влияние на долговечность: основными причинами снижения долговечности [5] являются растягивающие остаточные напряжения в слое нанесенного покрытия, а также наводороживание поверхностного слоя.
     Влияние на контактную выносливость: снижение долговечности деталей, работающих в условиях трения качения, вызывают растягивающие остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое при шлифовании. Пониженная твердость поверхностного слоя играет значительно меньшую роль. Если в результате пластической деформации растягивающие остаточные напряжения уменьшаются или переходят в сжимающие, то отрицательное влияние структуры измененного слоя на долговечность резко снижается.

9

     Влияние на износостойкость: В. А. Кисликом установлено, что растягивающие остаточные напряжения снижают износостойкость, а сжимающие - повышают ее. П. Л. Дьяченко и Г. В. Смушкова утверждают, что поскольку при трении в поверхностном слое стальных образцов образуются сжимающие остаточные напряжения, то износ будет тем меньше, чем меньше величина этих напряжений. Поэтому наиболее благоприятными для повышения износостойкости будут растягивающие в исходном состоянии остаточные напряжения, которые замедляют формирование сжимающих напряжений. Д. А. Драйгар и В. П. Шевчук нашли, что максимальная износостойкость может быть получена, если механической обработкой в поверхностном слое детали будут созданы напряжения того же знака и близкие по величине к напряжениям, возникающим в поверхностном слое при трении в эксплуатационных условиях. Основным фактором, влияющим на износостойкость при трении в активной среде, авторы [6] считают микронапряжения II и III рода в поверхностных слоях металла.
     Влияние на трещинообразование: если величина остаточных напряжений превысит предел прочности материала, а изделие обладает высокой жесткостью, то в поверхностном слое возникнут трещины вследствие разрыва сплошности материала [7]. Если эксплуатационные нагрузки совпадут со знаком остаточных напряжений и их сумма будет выше величины допускаемых напряжений, то изделие может разрушиться при нагрузках ниже запланированных.
     Влияние на геометрическую точность: если изделие является маложестким, то под действием остаточных напряжений первого рода произойдет его коробление [8], величина которого может превысить поле допуска на точность формы или взаимного расположения поверхностей.

        1.2. Причины и механизмы образования остаточных напряжений и деформаций изделий

     Температурные остаточные напряжения появляются в случае неравномерного распределения температуры по сечению детали. Величина и характер температурных напряжений зависят от скорости нагрева и охлаждения, от размеров и формы детали, от коэффициентов теплопроводности и теплопередачи. Большое значение имеет скорость охлаждения и температура, с которой начинается охлаждение [9].
     С повышением температуры, от которой производилось охлаждение, максимальные напряжения увеличиваются. Особенно резкое увеличение напряжений в стальных деталях происходит при температуре более 500 °C.
     Наибольшие напряжения получаются при максимальной скорости охлаждения в воде (осевые напряжения до 600 МПа), а при охлаждении на воздухе напряжения не превышают 60 МПа.
     Остаточные напряжения образуются в случае неравномерного нагрева по сечению детали. При быстром охлаждении детали наружные ее слои, охлаждающиеся быстрее, будут растянуты. Сердцевина будет сжата. Если в этот мо

10

мент возникающие напряжения окажутся выше предела пропорциональности при данной температуре, то произойдет пластическая деформация. Возможен случай, когда температурные напряжения в наружных слоях превысят предел прочности металла и образуется трещина («горячая трещина»). При дальнейшем охлаждении детали интенсивность охлаждения наружных слоев уменьшается, и разность температур между поверхностью и сердцевиной также уменьшается. В этот момент поверхность уже имеет температуру, практически равную температуре окружающей среды, и дальнейшая температурная деформация наружных слоев прекращается. Сердцевина, имеющая более высокую температуру, будет продолжать интенсивно охлаждаться, изменяя объем. Если наружные слои были пластически деформированы в первый период, то в некоторый момент второго периода, когда температура сердцевины еще достаточно высокая, наступает равновесие между наружными слоями и сердцевиной и напряжения в детали будут равны нулю. При дальнейшем охлаждении наружные слои будут деформироваться мало, а сердцевина будет стремиться существенно сокращаться. Поэтому сердцевина будет сжимать наружные слои, которые, в свою очередь, будут растягивать сердцевину. В момент окончания процесса охлаждения величина напряжений может превысить предел упругости и произойдет повторная пластическая деформация, но уже обратного знака [10].
     Образование остаточных напряжений после закалки обусловлено главным образом скоростью охлаждения. На образование остаточных напряжений влияет химический состав металла, условия закалки, начальная температура и скорость охлаждения, а также исходное состояние поверхностного слоя.
     Существенное влияние на характер и величину суммарных напряжений оказывает время перемены знака тепловых напряжений по отношению ко времени появления структурных превращений. Если структурные превращения появились до перемены знака тепловых напряжений, то суммарные напряжения уменьшаются. Если структурные превращения произошли после перемены знака тепловых напряжений, то суммарные напряжения увеличиваются.
     При поверхностной закалке характер эпюры остаточных напряжений зависит от режима нагрева, глубины закаленного слоя, условий охлаждения, химического состава и исходной структуры обрабатываемой стали [11].
     Варьируя частоту тока индуктора и тепловой режим нагрева, можно получить разную глубину закаленного слоя и различный характер распределения остаточных напряжений по глубине изделия.
     С увеличением количества углерода сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое уменьшаются из-за преобладающего действия структурного фактора. Возле поверхности в закаленном слое остаточные напряжения (осевые и тангенциальные) - сжимающие. Вблизи границы слоя напряжения резко уменьшаются и переходят в растягивающие, максимум которых располагается на некотором расстоянии от границы закаленного участка. Основной причиной возникновения растягивающих остаточных напряжений вблизи твердого слоя являются объемные пластические деформации в процессе нагрева и охлаждения.
     Сварные конструкции состоят из большого числа элементов и сварных швов, внутренние напряжения которых взаимодействуют и могут распреде

11

ляться различным образом. Последовательность приварки и жесткость элементов существенно влияют на остаточные напряжения.
     Характерными особенностями сварки являются ее локальный характер, высокие скорости нагрева до температур, превышающих температуры плавления металла (3000 °C при газовой и 4000 °C при электродуговой сварке), что вызывает температурные напряжения, неоднородные структурные преобразования в шве и зонах термического влияния, изменение растворимости газов, окружающих сварной шов. Неравномерные распределения остаточных напряжений в сварных швах под действием нагрузки в процессе эксплуатации зачастую является причиной трещенообразования и дальнейшего разрушения конструкции [12, 13].
     Объем зоны распределения остаточных напряжений зависит от мощности и продолжительности нагрева, а также от структурных превращений, происходящих в зоне, непосредственно примыкающей к сварному шву (20-25 мм при электродуговой и 80 мм при газовой сварке). Вследствие структурных превращений изменяется удельный объем, так как при нагреве переход перлита и феррита в аустенит сопровождается уменьшением удельного объема, а при охлаждении превращение аустенита в мартенсит сопровождается значительным увеличением удельного объема. Кроме того, вследствие неравномерного охлаждения деталей структурные превращения во всем объеме происходят не одновременно и по мере охлаждения всего сечения распределение структурных напряжений изменяется. В низкоуглеродистых сталях распад аустенита происходит при остывании происходит при температуре 600 °C и мало влияет на остаточные напряжения, а в легированных сталях при остывании распад аустенита при более низких температурах, когда металл находится в упругом состоянии и вызывает структурные остаточные напряжения, т. е. величина остаточных напряжений, вызванных фазовыми превращениями, зависит от химического состава стали [14, 15].
     Остаточные напряжения возникают в результате неоднородной пластической деформации в различных технологических процессах (ковка, штамповка, прокатка). Пластическое формоизменение может производиться при нормальной и высокой температуре.
     Величина остаточных напряжений, возникающих в результате обработки давлением при низкой температуре, зависит от степени обжатия и глубины деформации [4]. Растрескивание прокатанного металла как с поверхности, так и в сердцевине происходит тогда, когда остаточные напряжения после прокатки с большими степенями обжатия превышают предел прочности материала.
     Одной из главных причин появления остаточных напряжений при горячей обработке давлением является неравномерное охлаждение детали в процессе обработки. Кроме того, обрабатываемая деталь испытывает значительные силовые воздействия.
     Распространенным способом преднамеренного создания благоприятного распределения остаточных напряжений является поверхностный наклеп. При наклепе неравномерная по сечению пластическая деформация является причиной возникновения остаточных напряжений. Поверхностные пластически де

12