Лекция 31. Параметры, определяющие эксплуатационные свойства соединений деталей машин

Параметры, определяющие эксплуатационные свойства соединений деталей машин, формируются комплексом технологических воздействий на поверхность детали на всех операциях технологического маршрута. Эти операции следуют друг за другом, вызывая так называемую технологическую наследственность, то есть зависимость формирования свойств готовой детали от всех предшествующих операций обработки.

Носителями наследственной информации являются обрабатываемый материал и поверхностный слой (ПС) детали. Технологической наследственностью можно управлять, с тем чтобы положительные свойства детали, сохранять в течение всего технологического процесса, а свойства, влияющие отрицательно на требуемое качество детали – ликвидировать или уменьшать возможность их появления.

Процесс обработки сопровождается неравномерными объемными изменениями ПС детали и формирует свои начальные и остаточные напряжения. Деталь из-за возникших напряжений стремится принять равновесное состояние, то есть изменить свою форму, размеры и взаимное расположение поверхностей. Этому мешают внешние связи, если деталь находится в закрепленном состоянии.

После раскрепления внутренние напряжения вызывают деформацию детали, и появляются остаточные деформации детали. Как правило, максимальная интенсивность деформаций наблюдается в начальный период и носит затухающий характер. Однако, если в процессе обработки происходили фазовые и структурные превращения, например при литье, то процесс снижения начальных напряжений и их превращение в остаточные растягивается на длительное время. При малых толщинах деталей происходит ее существенное коробление, но остаточные напряжения при этом незначительны.

При резании формирование стружки и ПС происходит в результате протекания сложных физических и химических процессов в зоне контакта обработанной поверхности с инструментом (Слайд 1). В первые же минуты работы по мере износа и образования нароста радиус ρ округления режущей кромки может резко изменяться.

Свойства ПС обработанной детали начинают формироваться в зоне, опережающей пластические деформации, перед режущей кромкой инструмента (или вершиной нароста). По мере внедрения режущего лезвия в обрабатываемый материал в нем увеличиваются нормальные напряжения.

Изменяются характеристики ПС в направлении роста прочности при длительной нагрузке, снижаются характеристики пластичности, повышается твердость. Происходит деформационное упрочнение ПС или наклеп, который оценивают толщиной деформированного слоя h_с Слайд 2

Особо важным параметром надежности являются наследственные остаточные напряжения в поверхностном слое. Значение этого показателя качества детали иллюстрирует Слайд 3, из которого видно, что заложенные при изготовлении детали остаточные напряжения сохраняются в течение всех трех периодов изнашивания детали и оказывают влияние на эксплуатационные свойства детали.

Вопросы технологической наследственности играют решающую роль при конструировании и изготовлении деталей газотурбинных двигателей (ГТД) при создании авиационной техники и энергетических установок Слайд 4. Выбор основных параметров ГТД (температуры газа перед турбиной, продолжительности форсированных режимов и др.) напрямую связан с параметрами, определяющими эксплуатационные свойства соединений деталей, и, в первую очередь, усталостные разрушения.

Проблема предупреждения усталостных разрушений деталей ГТД очень сложна. Она может быть решена несколькими методами на разных этапах жизненного цикла ГТД:

1. При проектировании – обеспечением максимального сопротивления усталости детали за счет минимизации роли концентраторов напряжений и регламентации свойств поверхностного слоя.

2. При изготовлении – строгим соблюдением технических условий (ТУ) и требований чертежей, направленных на минимизацию отрицательной технологической наследственности.

3. В процессе эксплуатации – за счет снижения размаха эксплуатационных нагрузок и конструктивных мероприятий, снижающих вероятность появления эксплуатационных повреждений.

4. При ремонте (при эксплуатации и в заводских условиях) – тщательным выявлением дефектов и строгим соблюдением регламента ремонта.

Из всей совокупности параметров повер­хностного слоя наиболее информативными являются остаточные напряжения (поверхностные или объемные), глубина и степень наклепа, шероховатость поверхности.

Полную релаксацию остаточных напряжений в зависимости от степени легирования сплава можно осуществить путем нагрева в течение 12 часов, что обычно при­меняют для окончательно готовых деталей (лопаток, дисков, валов и др.). У высокопрочных материалов, имеющих высокий предел текучести, релаксация на­пряжений происходит медленнее.

На слайде 5 приведены интервалы температур для различных конструкционных материалов, при которых ускоряются процессы релаксации напряжений.

Максимальная несущая способность детали ГТД может быть обеспечена за счёт дополнительного повы­шения прочностных характеристик материала заготовки и несущей способности детали за счет модификации поверхностного слоя детали.