УДК 621.923

                                          Тюрин А.Н., Тюрин Н.А.                                     

(Западно-Казахстанский аграрно-технический университет                        им. Жангр хана)

 

 РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ШЕЙКАХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

 

              Важнейшей  задачей  точного  машиностроения  на  современном  этапе  является разработка  более  эффективных  технологических  процессов  изготовления  деталей, обеспечивающих  не  только  достижение  высокой  точности  при  минимуме  затрат,  но  и сохранение первоначальных показателей точности в течение всего срока службы изделия. Одним  из  основных  факторов,  приводящих  к  снижению  первоначальной  точности деталей, является релаксация остаточных напряжений. Увеличение отклонений их формы, вызываемое  релаксацией  напряжений,  неизбежно  приводит  к  снижению  надежности  и уменьшению срока службы машин, снижению их эксплуатационных свойств. Особенно  остро  проблема  стабилизации  геометрических  параметров  стоит  перед производством  подшипников  качения  классов  точности 6  и  выше  и  других  подобных деталей,  которые  широко  используются  в  различных  машинах  и  агрегатах.  Даже незначительное   изменение  в  течение  определенного  интервала  времени  приводит  к резкой потери точности этих изделий, а затем и машины в целом. Чтобы избежать потери качества изделий в процессе эксплуатации, осуществляют релаксацию  остаточных  напряжений  в  процессе  изготовления  изделий.  Из  известных способов уменьшения или устранения остаточных напряжений и  стабилизации размеров для прецизионных деталей точных приборов наибольшее применение имеет термическая обработка - отжиг и старение. 

Основными  недостатками  существующих  технологий  релаксации  являются следующие: 

а) их низкая производительность; 

б) большие затраты энергии; 

в) длительность цикла обработки; 

г)  необходимость  использования  дорогостоящего  оборудования (печей)  для осуществления обработки; 

д) большие потребные производственные площади; 

е)  сложность достижения  заданного качества обработки  так как  требуется жестко использовать  необходимый  режим  обработки,  иначе  в  некоторых  случаях  термическое воздействие  на  упругонагруженный  материал   может  вновь  вызвать   возникновение  остаточных напряжений, особенно у изделий сложной формы и при ускоренном нагреве и последующим охлаждении. 

Нами предлагается  использование  уникальной  технологии  релаксации остаточных  напряжений  в  деталях  под  действием  ультразвуковых  колебаний, воздействующих  на  изделие  механическим  способом:  (Патент  РФ  № 2140842 «Способ вибростарения деталей»). 

Установлено,  что  при  обработке  ультразвуковыми  колебаниями  металла, содержащего дислокации,  энергия ультразвуковой волны преимущественно поглощается дислокациями  и  преобразуется  в  энергию  перемещения  этих  дислокации. Это  вызывает развитие  внутри  зерен  металла  дополнительной  дислокационной  деформации,  которая будет  способствовать  пластическим  сдвигам,  способствующим  уменьшению  уровня остаточных напряжений.

Решающими  конкурентными  преимуществами разрабатываемого нами  оборудования являются:  высокая  эффективность,  высокое  качество  обработки,  высокая производительность  и  низкая  себестоимость,  которые  позволяют  в  широких  пределах варьировать стоимостью оборудования и тем самым вытеснять с рынка конкурентов. 

Другим  важным  преимуществом  является  простота  конструкции  оборудования, простота  технологического  процесса  изготовления  продукции,  обеспечивающие возможность  осуществлять  быструю  переналадку  производства  на  выпуск  новой продукции и тем самым быстро откликаться на потребности рынка. По  сравнению  с  традиционной  обработкой,  построенной  на  основе низкотемпературного  термического  отпуска,  ультразвуковая  релаксация  остаточных напряжений имеет следующие преимущества:

а) обеспечивает более высокое качество обработки: по сравнению с термоотпуском остаточные  напряжения  снижаются  в 1,4  раза,  стабилизируются  размеры  деталей, овальность  деталей  снижается  в 1,6  раза,  отклонение  от  круглости –  в 1,5  раза, волнистость – на 44%, повышается твердость деталей и существенно уменьшается разброс показателей качества.

б)  более  высокая (в  десятки  раз)  производительность  по  сравнению  с термообработкой; 

в) снижение (в десятки раз) капитальных затрат, так как для релаксации изделий не требуется  дорогостоящее  термическое  оборудование,  обработка  осуществляется  на

простом ультразвуковом автомате;

г) оборудование легко встраивается в автоматическую линию; 

д) резко (на порядок и более) уменьшаются затраты энергии; 

е) требуются небольшие производственные площади; 

ж) ультразвуковая технология экологически чиста и безопасна для окружающих.

         Похожая  технология  уже  успешно  используется  при  снятии  остаточных  напряжений  на стыках  сварных  конструкций. Инновационный  характер  устройства  в  том,  что  впервые предлагается способ использования ультразвуковых колебаний для релаксации напряжении в прецизионном (точном) машиностроении, в первую  очередь,  предприятия  подшипниковой  отрасли,  заводы,  изготавливающие ходовые винты и оси, валы и другие предприятия.

У всех предприятий этого сектора промышленности есть четко выраженая потребность в установках для релаксации остаточных напряжений металла.

Подшипниковая  промышленность –  одна  из  наиболее конкурентоспособных  областей  машиностроения  в  РФ и РК.  Большинство  предприятий  этой отрасли  работают  с  устойчивой  прибылью  и  имеют  возможности  проводить  программы модернизации.

  К  настоящему  моменту  по  рассматриваемой теме  проработаны  вопросы  технологии  воздействия  энергией ультразвуковых  колебаний  на  детали  и  машин  и  приборов,  ведется работа с ТОО «Уральский механический завод» по разработке оборудования по релаксации остаточных напряжений в коренных и шатунных шеек коленчатого вала 240-1005020, как наиболее типичного представителя продукции, используемой в дизельных двигателях тракторов среднего класса. Коленчатые валы изготовлены из стали 45Х ГОСТ-4543-71 и термически обработаны до твердости HВ 207-255. Твердость поверхности коренных и шатунных шеек составляет HRC 53-63.

При существующей технологии термообработки только 42% шеек имеют после операции низкого отпуска отклонения геометрического профиля от цилиндричности в пределах нормы (0,006 мкм), при этом наиболее часто встречающиеся погрешности составляют вогнутость и конусообразность (до 60%), т.е существует острая необходимость в повышении эффективности процесса снятия внутренних напряжений и повышение качества геометрической формы поверхностей шеек.

         Использование напрямую способа описанного в выше указанном патенте для коленчатого вала малоэффективно потому, что необходимо после однократной обработки релаксацию остаточных напряжений повторять при повороте детали вокруг своей оси на длину дуги, равную четверти длины упругой волны, возникающей в ней в процессе обработки.

Нами предлагается оборудование, в котором  коленчатый вал закрепляют в центрах суперфинишного полуавтомата, а к поверхностям коренных и шатунных шеек вала  прижимают при помощи ползунов инструментальной головки  на некоторое время источники ультразвуковых колебаний  (Рисунок 1), расположенные через 120 градусов по окружности обрабатываемой детали, что дает более равномерное распределение ультразвуковых колебаний по поверхности и исключает необходимость поворота детали, обязательную при обработке одним источником. Силу прижима источников УЗК к поверхности шейки обеспечивают в определенных пределах, при которых с одной стороны в обрабатываемой заготовке не возникают остаточные деформации, а с другой стороны, обеспечивается надежная передача ультразвуковых колебаний от источника к заготовке.

Проведенные расчеты и исследования показывают эффективность данного способа по релаксации остаточных напряжений в коренных и шатунных шейках коленчатого вала.

Источники информации:

  1. Патент РФ № 2140842  от 10.11 1999г. «Способ  вибростарения деталей».

 

 

 

 

                   

 

 

 

 

Рис. 1. Схема инструментальной головки суперфинишного полуавтомата для релаксации остаточных наряжений в шейках коленчатого вала двигателя.

 

 

                                         

 

                                        

 

                                            АННОТАЦИЯ

         В процессе суперфинишной обработки деталей, и в частности шеек коленчатого вала, помимо съема заданного припуска необходимо обеспечить необходимую величину шероховатости, формирование наиболее оптимального геометрического профиля обрабатываемой поверхности, и максимально снизить внутренние остаточные напряжения.

         В данной работе рассмотрены вопросы по разработке оборудования по релаксации остаточных напряжений в коренных и шатунных шейках коленчатого вала.

 

 

                                                   ABSTRACT

         In process super finish processing the details, and in particular neck of the crankshaft, aside from removal given припуска necessary to provide the necessary value to roughnesses, shaping the most optimum geometric profile processed to surfaces, and greatly reduce the internal remaining voltages.

         In given work are considered questions on development of the equipment on relaxations of the remaining voltages a shake of the crankshaft.