ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Известно большое разнообразие высокоэффективных технологических методов поверхностного упрочнения деталей машин, повышающих преде­лы выносливости в два—три раза и усталостную долговечность — в десятки и сотни раз. К ним относятся методы поверхностного пластического де­формирования (ППД), химико-термические (азотирование, цементация, цианирование), поверхностная закалка с нагрева токами высокой частоты или лучом лазера, комбинированные и др. Причинами столь высокого повышения сопротивления усталости являются остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое и повышение механических свойств слоя в результате обработки. Суммарный эффект упрочнения зависит от взаим­ного расположения эпюр остаточных и рабочих напряжений и сопротивле­ния усталости материала по сечению детали [4, 12].

Большой вклад в развитие и внедрение методов ППД внесен учеными ЦНИИТМАШ [14]. Разработанные в этом институте приспособления и ре­жимы ППД посредством обкатки роликами, чеканки, дробеструйной об­работки и др. позволили широко внедрить эти методы практически во все отрасли машиностроения. Широкое распространение методов ППД связано с их эффективностью и возможностью применения к весьма широкой но­менклатуре материалов, форм и размеров деталей, условий работы (по

температурам, средам), а также с их сравнительной простотой и невысокой стоимостью,

В данном разделе описываются некоторые новые оригинальные уста­новки и методы ППД, представляющие существенный интерес для работни­ков промышленности, которые с успехом используются в машиностроении.

Дробеметная установка УДМ-3. Предназначена для упрочнения полотна и замков дисков компрессора и турбины диаметром до 850 мм.

Техническая характеристика

60-300

2800-3600 10

30-45

1000Х 1500X2500

На рис. 9 представлена принципиальная схема установки УДМ-3. Принцип работы дробеметной установки заключается в следующем. При подаче микрошариков из верхнего бункера 1 в дробемет 2 микрошарики под действием центробежных сил направляются с заданной скоростью на по­верхность закрепленной на шпинделе 3 вращающейся детали 4 и осу­ществляют наклеп. Отработанные микрошарики под действием силы тя­жести падают на наклонное дно камеры и с помощью пневматического транспорта 3 по каналу 6 вновь направляляются в верхний бункер 1 и далее в дробемет 2. Таким образом, осуществляется замкнутая циркуляция микрошариков внутри установки.

Дробеметное упрочнение деталей с малоразмерными конструктивными концентраторами напряжений повышает усталостную прочность деталей из титановых и жаропрочных сталей и сплавов на 15—50%, долговечность ра­боты деталей— в 1,5—2,5 раза.

Дробеметная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении крупногабаритных деталей типа тел вращения, имеющих острые кромки, малые радиусы переходов, галтели.

Гидродробеструйная установка для упрочнения зубчатых колес. Пред­назначена для упрочнения поверхностным пластическим деформированием потоком стальных шариков зубьев конических и цилиндрических колес.

Техническая характеристика

TOC o "1-5" h z Диаметр шариков из стали І1ІХ15, мм 1,6

Рабочая жидкость - трансформаторное масло ГОСТ 10121-76

Давление жидкости, МПа 0,3 -0,6

Количество сопел, шт. 3

Время упрочнения одного участка, мин 2

Частота вращения детали, об/мин 140

Габариты, мм

диаметр детали 5 00Х 100

установки 2300X2500X2000

На рис. 10 представлена принципиальная схема гидродробеструйной установки для упрочнения зубчатых колес. Принцип работы гидродробе­струйной установки заключается в следующем. При подаче трансформатор-

ного масла из емкости 1 в транспортирующее сопло 2 шарики, находящиеся в нижнем дробесборнике 3, эжектируются в верхний дробесборник 4 и под действием силы тяжести по шпангопроводу 5 поступают к рабочему соп­лу 6. В рабочее сопло 6 под давлением подается трансформаторное масло, сообщающее кинетическую энергию шарикам. Поток стальных шариков на­правляется на упрочняемую деталь 7. Отработанные шарики под действием сил тяжести возвращаются в нижний дробесборник 3, а масло через сетку 8 сливается в емкость 1. Таким образом происходит циркуляция рабочей среды в гвдродробеструйной установке.

Гидродробеструйное упрочнение повышает твердость поверхности деталей из цементированных сталей 12Х2Н4А, 12Х2НВФА, 13ХЗНВМ2Ф на 25—30%, усталостную прочность зубчатых колес — на 24—50%, кон­тактную долговечность — в 2—4 раза. Гвдробесструйная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упроче­нии зубчатых колес.

Пневмогидродробесгруйная установка с программным управлением ПГДУ с ПУ-3. Предназначена для поверхностного пластического дефор­мирования крупногабаритных деталей типа лопаток компрессора, дисков, промежуточных колец, валов компрессора и других деталей сложной формы в потоке стальных микрошариков.

На рйс. 11 представлена принципиальная схема установки ПГДУПУ-3. При подаче сжатого воздуха к рабочим соплам 1 рабочая смесь ми­крошариков с жидкостью всасывается рабочими соплами и направляется на поверхность детали 2 под углом 90°, пластически деформируя поверх­ность. Отраженные микрошарики возвращаются в емкость 3, таким обра­зом происходит замкнутая циркуляция рабочей среды (2 — слив конденса­та) . Рабочие сопла 1 крепятся на штанге 4, приводимой в движение в верти­кальном направлении шаговым двигателем 5, а в продольном — узлом 8. Упрочняемая деталь 2 крепится на планшайбе 6, связанной с приводным механизмом 7.

Для обеспечения направления потока рабочей среды из сопел интерпо­ляторы ИЛКО-ЗМ от программы, записанной на перфоленте, подают со­ответствующие команды на шаговые двигатели, которые управляют взаим­ной ориентацией рабочих сопел и поверхности детали. Установка обеспечи-

вает колебательное движение детали относительно оси, проходящей через плоскость среза дробеструйного сопла по радиусу средней кривизны каждого сечения детали, лежащего в горизонтальной плоскости, проходя­щей через ось потока дроби, и одновременно поступательное перемещение.

Использование установки ПГДУПУ-3 позволяет повысить производи­тельность упрочнения в 1,5 раза, усталостную прочность деталей из тита­новых сплавов — в 1,5— 2,5 раза, деталей с покрытиями — на 30%.

Пневмодробеструйная установка. Предназначена для упрочнения поверх­ностным Пластическим пластическим деформированием корпусных деталей типа опор из магниевых и алюминиевых сплавов потоком стеклошариков.

Техкическая характеристика

Диаметр стеклошариков, мм 0,5-1,2

Давление воздуха, МПа 0,2-0,5

Частота вращения детали, об/мин 10 ... 12

Габариты детали, мм

диаметр 2000

высота До 500

Время обработки одного участка, мин 3

Габариты установки, мм 3500Х 2000Х1500

На рис. 12 представлена принципиальная схема пневмодробеструйной установки. Принцип работы следующий: элеватором 1 стеклошарики из нижнего дробесборника 2 подаются в верхний 3, откуда по шлангопроводу 4 транспортируются к соплу 5, где подхватываются воздухом и направля­ются на поверхность детали 7, закрепляемой на планшайбе 6. Отработанные стеклошарики под действием силы тяжести падают в нижний дробесборник 2. Происходит замкнутая циркуляция стеклошариков в установке. Для повышения коррозионной стойкости деталей и исключения попадания на поверхность деталей инородных материалов стенки рабочей камеры обли­цованы пластиком, крепеж выполнен из титановых сплавов.

Упрочнение потоком стеклошариков на пневмодробеструйной установке повышает усталостную прочность литых деталей из магниевых и алюминие­вых сплавов в 3 раза, долговечнсть — в 12 раз при обеспечении высокой коррозионной стойкости и химической чистоты поверхности. Пневмодробе - струйная установка может быть использована в различных отраслях маши­ностроения при упрочнении стеклянными шариками деталей из магниевых и алюминиевых сплавов.

Пневмодинамические камеры применяются для местного упрочнения на­ружных поверхностей валов, например со шлицами.

Техническая характеристика

Диаметр стальных шариков, мм 2,4

Масса шариков, г 50-100

Давление воздуха, МПа До 0,4

Диаметр вала, мм 80-160

Масса камер, кг 3-5

Нарис. 13 представлена схема пневмодинамической камеры для упрочне­ния наружных поверхностей валов. Принцип работы основан на образова-

Рис. 13. Схема ггневмодинамической камеры для упрочнения наружных поверхностей

валов

нии направленного воздушного потока, выходящего из щелевидного соп­ла 1. Поток воздуха, выходящий из сопла, увлекает стальные шарики, находящиеся в зоне среза сопла, и направляет их на упрочняемую поверх­ность 2. Отраженнные от поверхности шарики под собственным весом устремляются в зону сопла. Происходит замкнутая циркуляция шари­ков в малом объеме камеры.

Пневмодинамическое упрочнение улучшает микрогеометрию поверх­ности, повышает предел выносливости деталей на 10-25%, при этом ПДК отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью. Пневмоди - намические камеры могут быть использованы в различных отраслях маши­ностроения при упрочнении шлиц валов.

Пневмодинамическая камера для упрочнения сварных швов трубо­проводов. Предназначена для местного упрочнения сварных швов изо­гнутых длинномерных трубопроводов в целях ликвидации в поверхност­ном слое сварного шва возможных растягивающих остаточных напряжений, создания благоприятных сжимающих остаточных напряжений, повышения прочностных характеристик.

Техническая характеристика

Диаметр стальных шариков ШХ15, мм Масса шариков, г Давление воздуха, МПа Диаметр трубопроводов, мм Габариты камеры, мм

На рис. 14 представлена принципиальная схема пневмодинамической камеры. Принцип работы камеры основан на образовании направленного воздушного потока, выходящего из сопел, расположенных по окружности, который подхватывает рабочие тела — стальные шарики — и направляет их на поверхность обрабатываемой детали. Сжатый воздух через штуцер 8 по­дается в кольцевой коллектор 7 и сопло 2, подхватывает стальные шарики 3 и направляет на обрабатываемую поверхность детали 1. Стравливание воздуха из полости камеры происходит через сетку 6 в наружном корпусе 4. Экран 5 служит для защиты стенки от ударов шариков. Деталь в камере устанавливается с помощью разъемного держателя 9 и фиксатора 10.

Пневмодинамические камеры отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью. Их использование позволит сократить производ­ственные площади в 3—4 раза.

Пневмодинамическое упрочнение сварных швов трубопроводов из стали Х18Н10Т повышает усталостную прочность на 10—25%. Пневмоди - намический стенд может быть использован в различных отраслях машино­строения при упрочнении сварных швов трубопроводов.

Гидродробеструйная установка эжекторного типа. Предназначена для упрочнения поверхностным пластическим деформированием потоком стальных шариков деталей типа лопаток компрессора, зубчатых колес, пружин и др.

Техническая характеристика

Техническая характеристика

Давление жидкости, МПа 0,2-0,35

TOC o "1-5" h z Количество рабочих сопел, шт. 18-24

Количество одновременно обрабатываемых 1 -9

деталей, шт.

Частота вращения деталей, об/мин 10-14

Время обработки участка (диаметр 50 мм), мин 2

Габариты, мм 200 X 80 X 80,

деталей 400X 150 X 150

установки 600 X 1000 X 1500

На рис 15 представлена принципиальная схема гидродробеструйной эжекторной установки. Принцип работы установки следующий. При по­даче трансформаторного масла 10 из емкости 11 через фильтр 12 насо­сом 2 через каналы 3-5 в сопло-эжектор 1 стальные шарики, находящиеся на днище камеры 6, эжектируются и направляются на поверхность дета­ли 7, установленной на шпиндель 9, и деформируют поверхность детали. Сетка 8 обеспечивает слив и возврат трансформаторного масла, нагре­вающегося в процессе работы. Отработанные стальные шарики возвра­щаются под действием силы тяжести на днище камеры 6. Таким образом, происходит замкнутая циркуляция стальных шариков внутри камеры. Изменением давления трансформаторного масла, подводимого к соп­лу-эжектору 1, регулируется скорость полета шариков и интенсивность дробеструйного наклепа.

Гидродробеструйное упрочнение деталей из титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9 повышает твердость поверхности на 10—35%, усталостную проч­ность деталей — на 15—50% при обеспечении высоты микронеровностей не более 0,68 мкм, повышает долговечность работы в 2—25 раз. Гидро­дробеструйная установка может быть использована в различных отрас­лях машиностроения.

Дробеметная установка УДМ-2. Предназначена для упрочнения поверх­ностным пластическим деформированием потоком стальных микроша­риков деталей с малыми радиусами переходов, галтелями, острыми кром­ками. К таким деталям относятся лопатки турбины с елочным хвостови­ком, лопатки компрессора, резьбовые детали и др.

Техническая характеристика

Диаметр микрошариков из стали ШХ-15 или 60-300

порошка ПР-Р6М5, мкм Частота вращения

дробемета 2800-3600

TOC o "1-5" h z детали 18

Количество одновременно обрабатываемых 9-15

деталей, шт.

Время обработки деталей, мин 3-12

Габариты, мм

детали 350 X 75 X 75

установки 2000 X 1150X 850

На рис. 16 представлена принципиальная схема установки. Принцип работы установки заключается в следующем. При подаче микрошари­ков из верхнего бункера 4 в дробемет 5 микрошарики под действием центробежных сил вращающегося дробемета 5 выбрасываются со ско-

ростью до 124 м/с на поверхность вращающихся деталей 6, установлен­ных в камере 1, и осуществляют наклеп. Вращение дробемета 5 осуще­ствляется от электропривода 8. Отработанные микрошарики 2 попадают на днище камеры 1 и с помощью пневматического транспортера 3 вновь поднимаются в бункер 4. Происходит замкнутая циркуляция микроша­риков в дробеметной установке.

Дробеметное упрочнение деталей с малоразмерными конструктивны­ми концентраторами напряжений повышает усталостную прочность де­талей из титановых и жаропрочных сталей и сплавов на 15-50%, долго­вечность работы деталей - в 10—25 раз. Дробеметная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении деталей, имеющих малоразмерные конструктивные концентраторы напря­жений — острые кромки, малые радиус переходов, галтели.

Пневмодинамические камеры для упрочнения внутренних поверхностей валов и труб. Предназначены для поверхностного пластического дефор­мирования потоком стальных шариков внутренних поверхностей дета­лей типа валов.

Техническая характеристика

Диаметр стальных шариков, мм Масса шариков, г Давление воздуха, МПа Масса камер, кг

На рис. 17 представлена схема упрочнения вала турбины. Принцип ра­боты ПДК основан на образовании направленного воздушного потока, выходящего из целевидного сопла, со стальными шариками и направлени­ем их на упрочняемую поверхность. Отраженные от поверхности шарики под собственным весом устремляются в нижнюю часть камеры, к соплу. Происходит замкнутая циркуляция шариков в малом объеме камеры.

Пневмодинамическое упрочнение улучшает микрогеометрию поверх­ности, повышает усталостную прочность деталей из труднообрабатывае­мых сплавов типа ЭИ9611И на 15—20%. При этом ПДК отличается просто­той конструкции и малой металлоемкостью. Пневмодинамические камеры могут быть использованы в различных отраслях машиностроения при упрочнении внутренних поверхностей валов.

Пневмогидродробеструйная установка с программным управлением ПГДУ ПУ-12. Предназначена для поверхностного пластического дефор­мирования потоком стальных микрошариков крупногабаритных кольце­вых деталей с наружной и внутренней сторон.

Техническая характеристика

Диаметр микрошариков из стали ШХ-15 и

порошков ПР-Р6М5, мкм Частота вращения детали, об/мин Количество сопел, шт.

Рабочее давление воздуха, МПа

Перемещение сопел по вертикали, мм угол поворота, град

На рис. 18 представлена принципиальная схема установки ПГДУ ПУ-2. Принцип действия пневмогидродробеструйной установки следующий. При подаче команды от магнитной ленты с пульта управления сигналы поступают на шаговые двигатели 1. Для вертикального перемещения ра­бочих сопел обеих систем используется гидроусилитель 2, редуктор 3. Направляющая 4 поддерживает механизм трехвальной системы в фикси­рованном положении. Концевые выключатели 3 ограничивают вертикаль­ный ход рабочих сопел 6. Рабочая смесь 7 (микрошарики с антикорро­зийными добавками) находятся во взвешенном состоянии под действи­ем струй вжатого воздуха от коллектора 8. При подаче сжатого воздуха в рабочие сопла 6 рабочая смесь направляется на деталь 9, установленную на планшайбе 10, и происходит упрочнение детали. По программе с пульта управления подается команда на шаговые двигателя 1, которые с помощью трехвальной системы передачи движения обеспечивают перемещение ра­бочих сопел 6 вертикальной плоскости, поворот в горизонтальной и верти­кальной плоскостях. Возможность ориентации угла атаки рабочих сопел обеспечивает упрочнение криволинейной поверхности деталей одновремен­но с внутренней и наружной стороны.

Использование установки ПГДУ ПУ-2 позволяет сократить трудоемкость упрочнения в 2 раза и повысить усталостную прочность деталей из тита­новых сплавов на 15—50% и ресурс работы деталей — в 1,5—25 раз. Пнев - могидродробеструйная установка ПГДУ ПУ-2 может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении крупногабаритных деталей.

Гидродробеструйная установка для упрочнения крупногабаритных деталей эжекторного типа, предназначена для упрочнения поверхностным пластическим деформированием крупногабаритных деталей типа лопа­ток компрессора длиной до 750 мм и других в потоке стальных шариков.

Техническая характеристика

Диаметр шариков из стали ШХ-15, мм 2,4

Жидкость Трансформаторное масло

Давление жидкости, МПа 0,25-0,35

Количество рабочих сопел, шт. 15

Габариты, мм

детали 750 X 300

установки 1500 X 2500X 2000

На рис. 19 представлена принципиальная схема гидродробеструйной установки. Принцип работы установки следующий. При подаче трансфор­маторного масла из емкости 1 к эжекторным соплам 2 стальные шарики, находящиеся на днище камеры 3, эжектируются и направляются на по­верхность детали 4, установленной на шпиндель 5, и деформируют поверх­ность детали. Сетка 6, разделяющая камеру, обеспечивает слив и возврат трансформаторного масла. При этом отработанные стальные шарики возвращаются на днище камеры 3. Таким образом происходит замкнутая циркуляция стальных шариков. Для выравнивания уровня шариков во время работы установки вдоль сопел параллельно друг другу установлены два шнека 7, вращающихся в разные стороны. Наличие механизма 8 пере­мещения шпинделя обеспечивает расположение обрабатываемой поверх­ности детали по нормам к осям сопел в течение всего процесса обработки 152

-!

$

за счет сообщения детали возвратно-поступательного и качательного дви­жения, а также поворота на 180° при переходе от обработки одной сторо­ны к другой.

Гидродробеструйное упрочнение крупногабаритных деталей из тита­новых сплавов повышает твердость поверхности на 10—35%, усталостную прочность деталей — на 15-50% при обеспечении высоты микронеров­ностей не более 0,68 мкм, повышает долговечность работы деталей в 2—25 раз. Гидродробеструйная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении крупногабарит­ных деталей.

Пневмодинамический стенд. Предназначен для упрочнения фасок и отверстий диаметром от 10 до 25 мм, глубиной до 60 мм в деталях типа дисков.

Техническая характеристика

TOC o "1-5" h z Диаметр стальных шариков, мм 1,6—2

Давление воздуха, МПа 0,4

Максимальный ход сопла, мм 60

Время упрочнения одного участка, мин 0,5-2

Скорость перемещения сопла, мм/мин 120

Габариты стенда, мм 1200 X 750 X 1200

На рис. 20 представлена схема подвижного пневмодинамического сопла, которое является главным рабочим органом. Возможность перемещения сопла внутри отверстия позволяет производить равномерное упрочнение внутренней поверхности отверстий и фасок.

Принцип работы пневмодинамического сопла 1 основан на образовании воздушного потока, выходящего из эжектора 2 со стальными шариками и направленного на конусный отражатель 4. Конусный отражатель находит­ся в отверстии упрочняющей детали. Шарики, отраженные от него, дефор­мируют внутреннюю поверхность отверстия 5, упрочняя его. Разделитель 3 служит для разделения направленного и отраженного потоков шариков. Сопло 1 и отражатель 4 жестко связаны между собой.

Пневмодинамической способ упрочнения обеспечивает возможность упрочнения труднодоступных локальных мест, создание стабильных сжи­мающих напряжений величиной до 90 кгс/мм2, повышение малоцикловой долговечности в 5—8 раз для отверстий дисков из сплава ЭИ698ВД. Пнев - модинамический стенд может быть использован в различных отраслях машиностроения при упрочнении фасок и отверстий деталей.

Дробеметная установка УДМ-4П. Предназначена для упрочнения поверх­ностным пластическим деформированием крупногабаритных деталей, закрепленных в кассетах в потоке стальных микрошариков.

Техническая характеристика

Диаметр микрошариков из стали ШХ-15, мм 100-315

TOC o "1-5" h z Вертикальное перемещение дробемета, мм 180

Диапазон регулирования частоты вращения 0-3600

дробемета, об/мин

Частота вращения детали, об/мин 19

Количество одновременно обрабатываемых 10

деталей, шт.

Габариты, мм

детали 80 X 270

установки 2600X 3100X 2800

На рис. 21 представлена принципиальная схема дробеметной установки. Принцип работы установки заключается в следующем. При подаче мик­рошариков из верхнего бункера 1 в дробемет 2 микрошарики под дей­ствием центробежных сил выбрасываются со скоростью 124 м/с на поверх­ность вращающихся деталей 3, установленных в кассетах 4, и осуществля­ют наклеп. Вращение кассет с лопатками осуществляется цепной переда­чей 5 от двигателя 6. Вращение дробемета 2 осуществляется от электро­двигателя 7 постоянного тока, возвратно-поступательное перемещение - от привода 8. Отработанные микрошарики скатываются по днищу каме­ры в дробесборник 9, откуда с помощью ковшового элеватора 10 вновь поднимаются в бункер 1. Происходит замкнутая циркуляция микроша­риков в дробеметной установке.

Возвратно-поступательное перемещение дробемета в вертикальной плоскости повышает качество обработки деталей за счет исключения пе­реходных зон на обрабатываемой поверхности при упрочнении крупно­габаритных деталей, обеспечивает сокращение вспомогательного времени. Возможность регулирования оборотов дробемета повышает универсаль­ность установки, обеспечивая обработку деталей из различных сплавов на разных режимах.

Дробеметное упрочнение деталей из титановых и жаропрочных спла­вов повышает усталостную прочность на 15—50%, увеличивает долговеч­ность работы деталей в 10—25 раз при обеспечении высоты шероховатости 1,25—0,32 мм. Дробеметная установка может быть использована в раз­личных отраслях машиностроения.