07 марта 2016г.
В работе излагается метод обоснования регламента на запас прочности сцепления покрытий на сдвиг для шатунных шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Представлена методика оценки влияния комплексного технологического коэффициента на прочность сцепления покрытий с основным металлом от действия следующих факторов: технологических остаточных напряжений; технического состояния напыляемой поверхности.
Ключевые слова: прочность сцепления покрытия с основным металлом, касательные рабочие напряжения, зона соединения покрытия с основным металлом, коэффициент запаса прочности сцепления на сдвиг, технологические остаточные напряжения, техническое состояние напыляемой поверхности.
Практика применения методов напыления для восстановления и упрочнения коленчатых валов автотракторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и других деталей машин, свидетельствует о том, что прочность сцепления покрытий с основным металлом является одним из основных критериев, определяющих эксплуатационные свойства [1- 3]. Известно, что прочность сцепления покрытий обеспечивается действием сил механического закрепления, силами физического взаимодействия типа Вандер-Вальса, силами химического взаимодействия между составом покрытия и основного металла, диффузионными процессами и другими видами взаимодействия. В связи с этим, фактическая прочность сцепления покрытий, созданных напылением, не поддаётся каким-либо теоретическим расчётам. Поэтому прочность сцепления определяют по коэффициенту сцепления равному отношению прочности сцепления покрытия к прочности стали на разрыв при одноосном растяжении. Однако, по такому коэффициенту нельзя определять требуемую прочность сцепления покрытия для шеек коленчатых валов, поскольку этот коэффициент не учитывает предельные рабочие силы, действующие в зоне соединения покрытия с основным металлом шатунных шеек коленчатых валов.
Методика определения коэффициента запаса прочности сцепления покрытий на сдвиг для шатунных шеек коленчатых валов
В основу
метода определения регламента на коэффициент запаса прочности сцепления
покрытия на сдвиг был положен уровень
средних и максимальных рабочих касательных напряжений, действующих в зоне контакта покрытия с основным металлом
шатунных шеек коленчатых валов ДВС. Кроме того, учитывали, что характер разрушения связей покрытия с основой детали имеет усталостный характер.
Исходя из сказанного, коэффициент запаса прочности
сцепления покрытия с основой шатунных
шеек коленчатых валов определяли по следующей формуле
m – коэффициент приведения нормальных напряжений
к касательным на сдвиг (по опытным данным [6] среднее значение m = 3).
Касательные рабочие напряжения в зоне соединения покрытия с основным металлом
от влияния действующих результирующих сил на шатунную
шейку определяются в соответствии со схемой, представленной на Рисунке 1. [4]
Коэффициент комплексного влияния технологических факторов
Во всех работах, посвящённых исследованиям процессов создания
покрытий напылением [1 – 3, 6] отмечено влияние
следующих основных факторов:
технологических остаточных напряжений; техническое состояние поверхности. Комплексное влияние технологических факторов на прочность сцепления
покрытия с основным металлом оценивали по следующему уравнению
КТ = КТОН × КТСП (4)
где КТОН – коэффициент технологических остаточных напряжений.
КТСП – коэффициент
технического состояния
напыляемой поверхности. Определение коэффициента технологических остаточных напряжений
Окружные остаточные
напряжения
tq в кольцевом покрытии определяют
расчётом
как разность прочности сцепления на сдвиг покрытия при освобождении их от остаточных напряжений и прочности
сцепления покрытия при исходном
уровне ТОН в соответствии со следующей формулой.
tq
= t cц( р) -t сц (5)
где tq - окружные остаточные напряжения в покрытии, МПа;
t cц ( р) - прочность сцепления покрытия
на сдвиг при освобождении их от остаточных напряжений, МПа;
t cц - прочность сцепления покрытия
на сдвиг при исходном
уровне остаточных напряжений, МПа;
Прочность сцепления покрытия на сдвиг при освобождении его от остаточных напряжений определяют по следующей формуле
t сц ( р) = F /(p × D - n × t)b (6)
где F – сила сдвига
кольцевого пояска покрытия, Н; b – ширина пояска кольцевого покрытия, мм.
t – ширина реза кольцевого пояска покрытия, мм;
n – количество разрезов кольцевого пояска покрытия,
шт.
Прочность сцепления покрытия
на сдвиг при исходном
уровне остаточных напряжений определяют по следующей формуле
Численные значения коэффициентов влияния ТОН на прочность сцепления покрытия определяли по следующему соотношению
На Рисунке 2 представлена экспериментальная зависимость коэффициента ТОН в функции от изменения толщины слоя покрытия.
На основе математической обработки зависимости, представленной на Рисунке 3, получено
уравнение регрессии в следующем виде
где h – толщина слоя покрытия, мм.
Объяснить снижение коэффициента влияния ТОН можно
тем, что после струйно-абразивной обработки на поверхности образовались ТОН со знаком минус, которые при напылении первых слоёв покрытия трансформировались
в остаточные напряжения
со знаком минус. Дальнейшее
плавное снижение коэффициента ТОН на участке от 0,3 до 1,2 мм объясняется влиянием термического фактора
выравнивания общей температуры покрытия.
Определение коэффициента технического состояния
напыляемой поверхности
Обобщённого критерия для оценки влияния
технического состояния напыляемой поверхности на прочность сцепления покрытия,
в опубликованных работах не имеется. В связи с этим влияние
этого фактора на прочность сцепления
покрытия с основным металлом
оценивали по площади контакта
напыляемой поверхности, определяемой из соотношения длины неровностей профиля
напыляемой и базовой поверхностей на равной
длине.
Эффективность способа обработки поверхности перед напылением оценивали
по опытному значению коэффициента технического состояния поверхности, численное
значение которого определяли по следующему соотношению.
где сц (б )
s cц ; s сц (б ) - прочность сцепления покрытия, соответственно
для действующего и базового способа подготовки поверхности.
Численные значения теоретических
и
опытных
значений
коэффициента технического состояния поверхности для различных способов
обработки перед
напылением представлены в Табл.1.
Таблица 1 Значения теоретических и опытных коэффициентов технического состояния напыляемой поверхности
|
Способ обработки напыляемой поверхности
|
КТСП
|
K оптсп
|
|
1. Пескоструйная обработка
|
1,2
|
1,2-1,3
|
|
2. Дробеструйная обработка и напыление подслоя ВК-25
|
1,3
|
1,2-1,35
|
|
3. Напыление подслоя молибдена
|
1,3
|
1,3-1,6
|
|
4. Создание рваной
резьбы и напыление подслоя молибдена
|
2,0
|
1,5-2,3
|
Минимальные значения
коэффициента состояния поверхности относятся к обработке поверхностей с твёрдостью более 50 ед. HRC.
Обсуждение результатов исследования
На Рисунке 3 представлены теоретические (заштрихованные области) зависимости изменения коэффициента запаса прочности сцепления покрытия от толщины
слоя покрытия, для средних (прерывистая линия) и максимальных (сплошные
линии) результирующих значений сил, действующих на шатунные
шейки коленчатых валов. На этих графиках также наложены опытные значения
от влияния ТОН в покрытиях: для средних (О, ●) и максимальных (Δ, ▲) результирующих сил, действующих на шатунные
шейки.
Графики изменения значений
коэффициента запаса прочности сцепления
покрытия, представленные на
Рисунке 3, получены
при базовом уровне прочности
сцепления s cц = 70МПа , а численные
значения рабочих напряжений получены расчётом
для средних и максимальных сил действующих на шатунные
шейки по данным [4]. Для средних и максимальных результирующих сил, действующих на шатунные
шейки коленчатых валов, численные значения
коэффициента запаса прочности
сцепления покрытия более единицы, получено только для бензиновых ДВС. Коэффициент запаса прочности
сцепления покрытия ниже единичного
уровня получен только для максимальных результирующих сил, действующих на шатунные
шейки коленчатых валов дизельных ДВС. Резерв, повышения
коэффициента запаса прочности сцепления покрытий, за счёт
комплексного
влияния технологических факторов может быть в 1,5 –2,0 выше по сравнению с уровнем
графиков, представленных на рис. 3. Поэтому коэффициент запаса прочности сцепления покрытия для максимальных результирующих сил, действующих на шатунные
шейки коленчатых валов дизельных
ДВС, может быть получен на достаточном (единичном) уровне.
Выводы
1. Регламент на прочность сцепления напыляемых покрытий с основным металлом
на сдвиг для восстановления коленчатых валов определяется уровнем средних
и максимальных результирующих сил, действующих на шатунные
шейки каждой эксплуатационной группы ДВС.
2. Резерв повышения прочности
сцепления покрытий определяется технологическими возможностями регулирования остаточных напряжений и формирования благоприятного технического состояния напыляемой
поверхности.
3. Разработанная методика определения регламента на прочность
сцепления покрытия позволяет формализованным путём обосновывать многоцелевые проектно-технологические решения при разработке маршрутно-групповых технологических процессов восстановления коленчатых валов различными процессами создания покрытия.
Список литературы
1. Бартенев С.С.,
Федько Ю.П.,
Григоров
А.И. Детонационные покрытия в машиностроении.
-
Л.: Машиностроение, 1982 - 215 с.
2.
Безбородов И.А.
Гавриленко Т.П. Исследование надёжности коленчатых валов, восстановленных детонационным напылением/ Вестник НГАУ №4(25). 2012. С. 81-86.
3.
Зверев А.И. Детонационное напыление покрытий / А.И. Зверев, С.Ю. Шаривкер,
Е.А. Астахов//-Л.: Судостроение. 1979, -215 с.
4.
Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: А.И. Колчин, В.П. Демидов. 3-е изд. - М.: Высшая школа.
2002. -496 с.
5.
Расчёты и испытания
на прочность/
Методы расчёта характеристик сопротивления усталости// ГОСТ 25.504-82. М.: Изд-во стандартов, 1982. 80 с.
6. Хасуй А., Моригаки О. Наплавка
и напыление. / Пер. с яп. В.Н. Полова; под ред. В.С. Степина, Н. Г. Шестеркина. - М.: 1985. -240 с.
