Введение к работе
Актуальность темы. Большинство деталей машин работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Чтобы деталь хорошо работала в условиях трения, поверхность должна обладать высокой износостойкостью. Сопротивление циклическим и вибрационным нагрузкам обеспечивает вязкая сердцевина данного изделия. Для достижения всего комплекса свойств деталь подвергается поверхностному упрочнению. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности деталей благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность машин. В то же время, ХТО создает градиент напряженно- деформированных состояний, при которых неизбежно возникают значительные внутренние напряжения, приводящие к короблению и растрескиванию деталей.
Причины коробления деталей и образование трещин при ХТО изучены недостаточно полно. Отсутствует методика определения внутренних напряжений, возникающих при закалке деталей с переменным химическим составом по сечению.
Таким образом, настоящее исследование вызвано необходимостью изучения и совершенствования действующих технологических процессов изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей машин, таких как вал-шестерня и колесо зубчатое.
Цель работы. Целью настоящей работы является определение оптимальных параметров закалки тяжелонагруженных деталей машин, с учетом уровня термических напряжений для исключения деформации и образования трещин.
Задачи исследования:
Проанализировать действующие технологические процессы изготовления деталей машин и определить причины их коробления и растрескивания при термической обработке.
Определить уровень внутренних напряжений у сталей, прошедших химико-термическую обработку.
Разработать методику определения температурных напряжений при нагреве и охлаждении изделий с различным химическим составом по сечению.
Разработать компьютерную программу расчета внутренних напряжений для установления температурных режимов термической обработки заготовок.
Оценить вероятность трещинообразования сталей по численному значению коэффициента углеродного эквивалента Сэкв.
Усовершенствовать и внедрить в действующее производство технологию химико-термической обработки деталей вал-шестерня и колесо зубчатое.
Научная новизна.
- Предложена новая методика расчета внутренних напряжений, возникающих при нагреве и охлаждении изделий из материалов с переменным химическим составом по сечению;
- разработана компьютерная программа для расчета внутренних напряжений, в которой учитываются все теплофизические характеристики в зависимости от химического состава сталей;
- внедрена усовершенствованная технология термической обработки деталей с различным химическим составом по сечению с учетом меняющихся теплофизических характеристик слоев.
Практическая значимость. На основе разработанной методики усовершенствована, предложена и внедрена технология термической обработки деталей вал-шестерня и колесо зубчатое на предприятиях ОАО «ГАЗ» и ОАО «Кировский Машзавод 1Мая». Установлено, что детали обработанные по новой технологии, имеют деформацию в пределах допуска, определенного технической документацией, и механические свойства отвечают техническим требованиям.
Достоверность полученных результатов. Достоверность предложенных в работе методик расчета внутренних напряжений материалов и склонности их к короблению и растрескиванию подтверждается близостью расчетных и экспериментальных исследований. Достоверность предложенной технологии термической обработки подтверждается ее внедрением и применением в производстве. Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методик и оборудования для исследования, а также сходимостью результатов с результатами других авторов.
На защиту выносятся:
-
Методика определения температурных напряжений при нагреве и охлаждении изделий с различным химическим составом по сечению, в которой учитываются теплофизические характеристики каждого слоя изделия.
-
Компьютерная программа расчета внутренних напряжений для установления оптимальных температурных режимов термической обработки изделий.
-
Оценка вероятности трещинообразования сталей по численному значению коэффициента углеродного эквивалента Сэкв.
Апробация работы. Основные положения были доложены на следующих конференциях: конференция молодых ученых «Инновации в металлургии, материаловедении и высшем образовании». НГТУ, 2002 г.; международная научно–техническая конференция «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин». СамГТУ, г.Самара, 2003г.; международная молодежная научно – техническая конференция «Будущее технической науки». НГТУ, 2006 г.; IV международная научно–техническая конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия», г. Липецк, 2007 г.; Межрегиональная научно-практическая конференция «Заготовительные производства и материаловедение» посв. 100-летию проф. А.А. Рыжикова, НГТУ, 2009 г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 статьях, в том числе в 2-х журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 150 наименований. Она изложена на 164 страницах и содержит 54 рисунка и 22 таблицы.
