Влияние остаточных напряжений на изгибную жесткость валов, упрочненных охватывающим деформированием

Цель – исследовать влияние технологических остаточных напряжений на изгибную жесткость цилиндрических деталей типа валов и осей. Исследования проведены на удлиненных цилиндрических образцах (из стали марки 35 диаметром 30 мм) с использованием метода растачивания и обтачивания. Образцы отжигали в защитной среде для удаления начальных остаточных напряжений. Эксперименты выполнены на лабораторной гидравлической испытательной машине Amsler с использованием твердосплавных матриц марки ВК8. Эксперименты показали, что при сверхмалой степени относительного обжатия – от 0,1 до 0,5% – размер слоя с тангенциальными остаточными напряжениями сжатия постепенно уменьшается. Жесткость таких цилиндрических заготовок остается практически неизменна. При увеличении относительного обжатия (от 0,5 до 1,2%) происходит уменьшение остаточных напряжений сжатия на поверхности детали. Толщина слоя с тангенциальными остаточными напряжениями сжатия начинает увеличиваться. При этом остаточный прогиб становится меньше, изгибная жесткость увеличивается. Установлено, что степень относительного обжатия не влияет на изменение глубины распределения осевых остаточных напряжений. Оптимального распределения тангенциальных остаточных напряжений сжатия можно достичь за счет увеличения их глубины. Установлена линейная закономерность при степенях относительного обжатия от 0,1 до 1,0%. Самое большое сопротивление изгибу зафиксировано у упрочненных относительным обжатием образцов с близкими к 1,0% величинами. Обработав заготовки охватывающим деформированием с обжатием 1,0% и нагрузив их поперечной силой 0,6 кН, можно добиться уменьшения искажения при изгибе и увеличить прочность деталей в 5 раз. Установлено, что на изгибную жесткость цилиндрических валов большое влияние оказывают остаточные напряжения сжатия. Глубина залегания остаточных напряжений оказывает различное влияние на жесткость цилиндрических деталей. Таким образом, правильно воспользовавшись упрочняющим охватывающим деформированием, можно сформировать качественный поверхностный слой деталей с заранее заданным распределением остаточных напряжений.

1. Świć A., Zubrzycki J., Gola A. Modelling Characteristics Turning Processing for Want of Management by an Elastic Deformed Condition // Applied Mechanics and Materials. 2016. Vol. 844. Р. 109–114. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.844.109

2. Świć A., Taranenko V., Wolos D. New method for machining of low-rigidity shafts // Advances in Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 34. No. 1. P. 59–71.

3. Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. 309 с.

4. Закс Г. Практическое металловедение. М.: ОНТИ НКТП, 1938. 244 с.

5. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Повышение жесткости длинномерных валов охватывающим пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 2. C. 10–15.

6. Remy L. Thermal and thermal-mechanical fatigue of superalloys // Low Cycle Fatigue and Elasto-Plastic Behavior of Materials / ed. D.P. Portella, K.-T. Rie. Oxford: Elsevier, 1998. Р. 119–130.

7. Riedel H. Fracture at high temperatures. materials research and engineering. Berlin: Springer – Verlag Berlin Heidelberg, 1987. 431 p. https://doi.org/10.1002/crat.2170230609

8. Benito J.A., Manero J.M., Peiro J.J., Roca A. Change of Young’s modulus of cold-deformed pure iron in a tensile test // Metallurgical and Materials Transactions А. 2005. Vol. 36. Iss. 12. P. 3317–3324. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0006-6

9. Нгуен Ван Хуан, Зайдес С.А., Фам Дак Фыонг. Моделирование изгибной жесткости валов в зависимости от остаточных напряжений // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 6. С. 15–19.

10. Зайдес С.А., Рудых Н.В. Определение напряженного состояния поверхностно-упрочненного слоя // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 12. С. 35–38.

11. Seth P.P., Das A., Bar N.H., Sivaprasad S., Basu A., Dutta K. Evolution of dislocation density during tensile deformation of BH220 steel at different pre-strain conditions // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. Iss. 7. P. 2779–2783.

12. https://doi.org/10.1007/s11665-015-1554-6

13. Беляев В.Н., Иванов В.П., Ингеманссон А.Р., Исаев А.Н., Киричек А.В., Крайнев Д. [и др.]. Эффективные технологии поверхностного пластического деформирования и комбинированной обработки: монография. М.: ООО «Спектр», 2014. 403 с.

14. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Технологические возможности повышения изгибной жесткости деталей типа валов и осей // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2016. № 7. С. 25–31.

15. Зайдес С.А., Фам Д.Ф., Нго К.К. Новые процессы поверхностного пластического деформирования. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2019. 352 с.

16. Гликман Л.А., Бабаев А.Н., Левин В.М. О рациональном использовании способа Гейна и Бауэра для определения остаточных напряжений в цилиндрах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1976. № 5. С. 94–103.

17. Махалов М.С. Расчетные модели остаточных напряжений поверхностного слоя после упрочнения способами поверхностного пластического деформирования // Обработка металлов. 2012. № 3. С. 110–115.

18. Уорсинг А., Геффнер Д. Методы обработки экспериментальных данных / пер. с англ. Л.А. Шохат; ред. А.С. Монин. М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. 347 с.

19. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Влияние степени относительного обжатия на изгибную жесткость длинномерных валов // Технология металлов. 2017. № 2. С. 3–8.

20. Zaides S.A., Nguyen Kh.V. Influence of surface plastic deformation on the flexural rigidity of shafts // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36. No. 12. P. 1008– 1011. https://doi.org/10.3103/S1068798X16120182

21. Zaides S.A., Nguyen H.V. Improving the flexural rigidity of cold-finished steel // Steel in Translation. 2016. No. 46. P. 505–509. https://doi.org/10.3103/S0967091216070160

22. Климова Л.Г. Технологические возможности снижения искривления маложестких валов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 11. С. 33–37.