Рыбинск, Россия
УДК 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
Изложены результаты исследования влияния коррозии поверхности детали после механической обработки лезвийным инструментом на показатель прочности материала детали, характеризуемый концентрацией напряжений в поверхностном слое материала деталей – эффективным коэффициентом концентрации напряжений. Представлена расчетная зависимость и результаты расчета с оценкой степени изменения влияния коррозии на шероховатость поверхности и ее влияние на изменение коэффициента концентрации напряжений.
ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ, ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ, КОРРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ, КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАТЕРИАЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В материалах деталей машин, в том числе и в материалах деталей ГТД, в силу их конструктивных особенностей, а также в силу особенностей их работы, возможно создание концентрации напряжений, т. е. неравномерное их распределение в материале детали, которое характеризуется коэффициентом концентрации напряжений.
Концентрация напряжений при простом напряженном состоянии оценивается теоретическим концентратором напряжений ασ, равным отношению напряжения при наличии концентратора к напряжению в той же точке при отсутствии концентратора. При усталостном знакопеременном нагружении деталей концентрация напряжений оценивается эффективным концентратором напряжений Кs, который характеризует отношение предела выносливости образца с концентрацией напряжений к пределу выносливости гладкого образца такого же размера без концентрации напряжений [1-6].
Концентратором напряжений в материале деталей при усталостном нагружении может быть и шероховатость поверхности [1]. Учитывая тот факт, что шероховатость поверхности в процессе эксплуатации вследствие коррозионного воздействия изменяется [7], можно сделать вывод о влиянии коррозионного процесса на усталостную прочность детали, оцениваемую пределом выносливости материала детали s-1 [2, 3].
К сожалению, надлежащим образом этот вопрос изучен недостаточно. Практически отсутствуют сведения о степени и характере влияния изменения шероховатости поверхности детали в процессе эксплуатации вследствие коррозионных процессов. Известные авторам данной работы научные и практические публикации по проблеме коррозии деталей машин, в том числе авиационных газотурбинных двигателей, относятся к вопросам химических процессов коррозии, а также к вопросам получения материалов с целью снижения влияния коррозии на эксплуатационные свойства деталей машин [8-14]. В связи с изложенным вопрос изучения влияния коррозионных процессов на изменение прочностных характеристик материала поверхностного слоя детали, в частности, на изменение эффективного коэффициента концентрации напряжений, в том числе в авиадвигателестроении, является актуальной задачей. Для целей исследования, по мнению авторов, потребовалось на основе исследований [1] разработать расчетную зависимость для проведения исследования.
2 Материалы и методы
Обоснование расчетной зависимости для определения коэффициента концентрации напряжений в поверхностном слое материала детали
Для условий оптимального резания, характеризуемого минимумом износа режущего инструмента [15], используя факт стабильности процесса резания и, как следствие, высоты неровностей на обработанной поверхности, можно определять влияние условий обработки, в частности режимов резания, на предел выносливости материала детали эффективным коэффициентом концентрации напряжений [2]:
,
где as – теоретический коэффициент концентрации нормальных напряжений: при кручении и сдвиге 
; при растяжении и изгибе 
, где t – максимальная глубина впадины концентрата напряжений; r – радиус кривизны на дне впадины; g – коэффициент, зависящий от отношения шага неровностей к их высоте; qs – коэффициент чувствительности металла к концентрации напряжений.
Значение коэффициента g может быть определено по рекомендациям [3], однако более удобным является использование зависимости, полученной на основе данных, приведенных в этой работе, с использованием которых построены графики, представленные на рис. 1 и 2, на основе которых получена зависимость вида:
, где Sm – средний шаг неровностей по средней линии; Rz – высота неровностей на поверхности. Значение коэффициента x и показателя степени y в формуле при различных значениях соотношения Sm/Rz представлены в табл. 1.
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента g от величины отношения шага неровностей
к их высоте (Sm/Rz до 4)
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента g от величины отношения шага неровностей
к их высоте (Sm/Rz от 4 и более)
Таблица 1 – Значения x и y в формуле для определения g
|
Значения Sm/Rz |
x |
y |
При R2 |
|
до 4 |
0,25 |
0,944 |
0,9859 |
|
от 4 и выше |
0,76 |
0,134 |
0,8155 |
Значение qσ определяется по формуле 
, где a – константа материала [4]. Значения её следует принимать в зависимости от предела прочности материала детали на растяжение из таблицы, приведенной в [3]. Однако более удобно использовать зависимость, полученную с использованием графика, представленного на рис. 3 и построенного на основе данных, приведенных в [3].
|
300 600 900 1200 1500 sВ, МПа |
|
a, мм
0,4 0,3 0,2 0,1
0,05 0,03 0,02 0,01 |
Рисунок 3 – Значение коэффициента a в зависимости от предела
прочности материала на разрыв sВ
На основе графика (рис. 3) при R2 = 0,9729 значение α определяется по формуле, мкм:
α = 4610sВ-1,573 ,
где sВ – предел прочности материала детали на разрыв, МПа.
Принимаем t = Rz, так как высота микронеровностей на поверхности при обработке с оптимальной температурой резания Rz = Rmax, где Rz – высота неровностей на обработанной поверхности, Rmax – максимальная высота неровностей.
С учётом вышеизложенного и того, что Ra = 0,2Rz [17], после преобразования формула для определения as при кручении и сдвиге принимает вид
,
где Ra – среднее арифметическое отклонение профиля.
Принимая r = rвп = 0,03(Sm/Ra) [17], где rвп – радиус кривизны впадин профиля неровностей, после преобразований эффективный коэффициент концентрации напряжений может быть определен по формулам:
– при кручении и сдвиге
; (1)
– при растяжении и изгибе
. (2)
3 Результаты исследований
Были выполнены расчеты значений Кs для образцов из стали 30ХГСА, фрагмент которых представлен в табл. 2.
Таблица 2 – Фрагмент расчета изменений коэффициентов концентрации напряжений в поверхностном слое материала детали (сталь 30ХГСА) вследствие коррозии в процессе эксплуатации
|
Условия обработки |
S, мм/об |
Sm, |
Rzисх, значение после обработки (изготовления), мкм |
τ, год эксплу-атации |
Rz, значение после эксплуата-ции, мкм |
Кσ1, кручение |
Кσ2, растяжение и изгиб |
(Кσ2кор – Кσ2исх) / Кσ2исх, |
|
V = 150 м/мин; φ = 45°; |
0,1 |
141 |
2,5 |
1 |
4,298 |
1,077 |
1,153 |
5,10 |
|
2 |
4,76 |
1,083 |
1,167 |
6,38 |
||||
|
3 |
5,081 |
1,088 |
1,176 |
7,20 |
||||
|
4 |
5,335 |
1,091 |
1,183 |
7,84 |
||||
|
5 |
5,549 |
1,094 |
1,188 |
8,30 |
||||
|
0,15 |
183 |
4,2 |
1 |
6,435 |
1,089 |
1,177 |
4,72 |
|
|
2 |
7,01 |
1,095 |
1,19 |
5,87 |
||||
|
3 |
7,412 |
1,1 |
1,199 |
6,67 |
||||
|
4 |
7,731 |
1,103 |
1,206 |
7,30 |
||||
|
5 |
7,799 |
1,104 |
1,208 |
7,47 |
||||
|
0,2 |
247 |
7,7 |
1 |
10,579 |
1,108 |
1,216 |
4,47 |
|
|
2 |
11,323 |
1,114 |
1,228 |
5,50 |
||||
|
3 |
11,843 |
1,118 |
1,237 |
6,27 |
||||
|
4 |
12,256 |
1,122 |
1,244 |
6,87 |
||||
|
5 |
12,604 |
1,125 |
1,249 |
7,30 |
||||
|
0,25 |
302 |
11,5 |
1 |
14,904 |
1,124 |
1,247 |
4,09 |
|
|
2 |
15,785 |
1,13 |
1,26 |
5,18 |
||||
|
3 |
16,401 |
1,134 |
1,268 |
5,84 |
||||
|
4 |
16,891 |
1,137 |
1,275 |
6,43 |
||||
|
5 |
17,303 |
1,14 |
1,28 |
6,84 |
Учитывая, что шероховатость обработанной поверхности в наибольшей степени зависит от подачи S, радиуса при вершине резца в плане r и радиуса округления режущей кромки резца ρ1, был выполнен анализ влияния этих параметров процесса резания на значение эффективного коэффициента напряжений Кs.
Характер влияния на значение эффективного коэффициента концентрации напряжений в материале поверхностного слоя детали изменения скорости резания V и подачи S для материала 30ХГСА представлен на рис. 4.
Зависимость изменения 
от радиуса скругления лезвия резца r при вершине приведена на рис. 5.
Изменение Кs2 кор от радиуса округления лезвия режущей кромки r1 представлено
на рис. 6.
Рисунок 4 – Зависимость изменения Кσ2кор от скорости резания и подачи
при длительности эксплуатации один год
Обозначения на рис. 4:
V = 150 м/мин, 
,
V = 190 м/мин, 
,
V = 250 м/мин, 
.
Рисунок 5 – Зависимость изменения Кs2кор от радиуса скругления лезвия
при вершине резца в плане
Обозначения на рис. 5:
при эксплуатации 1 год: 
,
при эксплуатации 2 года: 
,
при эксплуатации 3 года: 
,
при эксплуатации 4 года: 
,
при эксплуатации 5 лет: 
.
Рисунок 6 – Изменение Кs2кор от радиуса округления режущей кромки резца r1
Обозначения на рис. 6:
при эксплуатации 1 год: 
,
при эксплуатации 2 года: 
,
при эксплуатации 3 года: 
,
при эксплуатации 4 года: 
,
при эксплуатации 5 лет: 
.
Полученные математические зависимости для определения изменения эффективного коэффициента концентрации напряжений в поверхностном слое материала детали, обусловленного коррозионным процессом при эксплуатации, позволяют прогнозировать изменения предела выносливости материала поверхностного слоя детали. Это возможно в соответствии с алгоритмом, представленном на рис. 7. Описание алгоритма представляет методику расчетного определения изменения предела выносливости материала поверхностного слоя детали в процессе эксплуатации, которая заключается в следующем:
1) Исходя из марки материала детали и вида термической обработки заготовки по соответствующим справочникам определяются свойства обрабатываемого материала: предел прочности на разрыв sВ, предел текучести sТ, сопротивление обрабатываемого материала пластичному сдвигу τр, удельная объемная теплопроводность сρ, коэффициент теплопроводности l, температуропроводность а и др.
2) В соответствии с разработанной технологией изготовления детали определяется режим резания (скорость резания V, подача S и глубина резания t), геометрические элементы режущей части инструмента (задний α и передний g углы резца, главный j и вспомогательный j1 углы резца в плане, радиусы при вершине резца в плане r и округления режущей кромки резца) и др.
3) Определяется величина параметра шероховатости обработанной поверхности Rzисх, мкм:
где а1 и t – толщина среза и глубина резания при обработке, м; Vо – оптимальная скорость резания, м/с; a и g – задний и передний углы режущей части инструмента, градус; а – температуропроводность материала обрабатываемой детали, м2/с; l и lр – коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, Вт/м×К; b и e – угол заострения и угол при вершине резца в плане, радиан; r и r1 – радиус при вершине резца в плане и радиус округления режущей кромки инструмента, м; сρ – удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/м3×К; qо – оптимальная температура в зоне резания, °С; tр – сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу, МПа;
b – длина контакта режущих кромок инструмента с обрабатываемой деталью, м;
m – безразмерная величина, зависящая от соотношения подачи и глубины резания, а также геометрических параметров режущей части инструмента [17]; со и nо – постоянные для конкретного сочетания обрабатываемого и инструментального материалов [17].
4) Определяется комплексный параметр скорости коррозионного изнашивания КС обработанной поверхности в процессе эксплуатации по формуле:
Кс 
,
где Uн – степень наклепа материала поверхностного слоя детали после обработки, %;
Sm – шаг неровностей по средней линии, мкм; bо и b1 – коэффициенты, зависящие от марки и состояния материала (после термической обработки) [19].
5) Определяется скорость коррозионного изнашивания 
,
где Vко – скорость коррозии образца сравнения, определяемая по формуле в соответствии с методикой Федонина О. Н. [18-21].
6) Определяется параметр шероховатости поверхности Rz после коррозионного воздействия на поверхностный слой материала детали по формулам, мкм:
, мкм
или
,
где t – время корродирования, год; КВ = 1,28…2,0 – коэффициент, учитывающий соотношение скорости коррозии материала выступов и впадин неровностей; b – угол наклона профиля шероховатости, рад; j – главный угол резца в плане.
Рисунок 7 – Алгоритм расчетного определения эффективного коэффициента концентрации напряжений во взаимосвязи с технологическими условиями обработки
7) Определяется эффективный коэффициент концентрации напряжений в материале поверхностного слоя детали по формулам (1) и (2).
8) Определяется предел выносливости материала поверхностного слоя детали после коррозии σ-1кор по формуле σ-1кор = σ-1/Кσ, где σ-1 – предел выносливости исходного материала детали. Если σ-1 кор соответствует допустимому значению, то расчет закончен. Если нет, то необходимо скорректировать технологические условия обработки с целью обеспечения требуемого значения s-1 кор при заданном периоде эксплуатации детали.
4 Обсуждение и заключение
Установлено, что коэффициент концентрации напряжений в поверхностном слое материала детали при коррозионном воздействии на него возрастает по сравнению с коэффициентом без коррозионного воздействия на величину от 5 до 9 процентов, что существенно при оценке прочностных характеристик детали.
Из режимных параметров процесса обработки на изменение эффективного коэффициента концентрации напряжений наибольшее влияние оказывает подача. Скорость резания в интервале рациональных режимов резания практически не влияет на изменение коэффициента концентрации напряжений в поверхностном слое материала детали.
Существенное влияние на изменение коэффициента напряжений оказывает влияние радиус при вершине резца в плане и радиус округления режущей кромки резца.
Разработанный алгоритм расчетного определения эффективного коэффициента концентрации напряжений во взаимосвязи с технологическими условиями обработки поверхности детали позволяет прогнозировать назначение последних с учетом допустимого значения коэффициента концентрации напряжений.
1. Биргер, И. А. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И. А. Биргер, Б. Ф. Шор, Г. Б. Иосилевич.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979.- 702 с.
2. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность: Руководство и справочное пособие. Изд. 3-е, переработанное и дополненное / Под ред. Серенсена С. В. - М.: Машиностроение, 1975.- 488 с.
3. Петерсон, Р. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: Мир, 1977.- 302 с.
4. Елизаветин, М. А. Повышение надежности. Изд. 2-е перабот. и доп. М.: Машино-строение, 1973.- 430 с.
5. Сатель Э.А., Елизаветин М. А. Технологические методы повышения качества по-верхностного слоя деталей машин. Сборник № 5: «Качество поверхности деталей машин». АНСССР, 1961.- С. 21-26.
6. Хевиленд, Р. Инженерная надежность и расчет на долговечность. М.- Л. «Энергия», 1966.- 231 с.
7. Безъязычный В. Ф., Клейменов В. В., Плешкун В. В. К вопросу расчетного опреде-ления степени коррозионного влияния в процессе эксплуатации на шероховатость обрабо-танной поверхности // Вестник РГАТУ, № 2(65), 2023.- С. 115-121.
8. Братухин Л. Я., Гуревич Л. Я. Коррозионная стойкость высокопрочных нержавею-щих сталей. - М.: Авиатехинформ, 1999. - 288 с.
9. Братухин, А. Г. Технологическое обеспечение высокого качества надежности, ре-сурса авиационной техники. - М.: Машиностроение, 1966.- Том I.- 550 с.; том II. - 296 с.
10. Логан, Х. Л. Коррозия металлов под напряжением. - М.: Металургия, 1970.- 340с.
11. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей применительно к авиационной тех-нике // Справочное пособие под ред. Л. Я. Гуревич и А. Д. Жирнова. - М.: ВИАМ, 1988.
12. Ву Динь Вуй. Атмосферная коррозия металлов в тропиках. - М.: Наука 1994.- 240 с.
13. Розенфельд, И. Л. Атмосферная коррозия металлов. - М.: АН СССР, 1960.- 375 с.
14. Карненко, Г. В. Прочность стали в коррозионной среде. Киев, Машгиз, 1963.- 188 с.
15. Похмурский, В. И. Коррозионная усталость металлов. М.: Металлургия, 1985.- 207 с.
16. Макаров, А. В. Оптимизация процессов резания. -М.: Машиностроение, 1976.- 264 с.
17. Безъязычный, В. Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. - М.: Машино-строение, 2012.- 320 с.
18. Инженерия поверхности деталей / Колл. Авт.; под ред. А. Г. Суслова, М.: Машино-строение, 2008.- 320 с.
19. Федонин, О. Н. Инженерия поверхности детали с позиции ее коррозионной стой-кости // Справочник. Инженерный журнал. Приложение № 10. - 2001.- С. 17-19.
20. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002.- 684 с.
21. Справочник технолога машиностроителя: В 2т / под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р, К. Мещерякова - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машинострое-ние-1, 2001.- Т.2.- 944 с.
