ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)

УДК 621.81.004.621.6

Ю.Н. ВИВДЕНКО,

доктор технических наук, профессор;

С.А. РЕЗИН,

О.В. НОВИКОВ,

В.В. ДЕГТЯРЬ,

А.Н. КЛОЧКОВ,

Омский танковый инженерный институт

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

После отработки ресурса или при получении случайных повреждений в процессе эксплуатации значительная номенклатура деталей силовых установок, ходовой части, трансмиссии и других агрегатов МГКМ подлежат восстановлению в процессе различных видов ремонтов. При этом преобладающая часть таких деталей имеет отклонения, вызванные их изнашиванием, которые связаны с потерей эксплуатационных свойств поверхностного слоя: отклонением геометрических характеристик, свойств материала, формированием дефектов и другими отклонениями.

Применительно к условиям ремонта и восстановления машин накоплен опыт разработки ремонтно-восстановительных технологий [1,2]. Одной из определяющих задач восстановления является обоснование минимальных размеров удаляемого дефектного слоя и наносимого восстановительного слоя.

Выполненные разработки предусматривали решение указанных задач для условий, когда поверхностный слой изношенных деталей имеет дефекты, которые вносят существенные изменения в определении размеров слоя удаляемого и наносимого.

Такие дефекты предложено делить на две группы:

1. Дефекты, размеры которых подвержены росту в эксплуатации до разрушения деталей: коррозионное растрескивание, усталостные и другие трещины.

2. Дефекты, относительно стационарные в развитии, но снижающие функциональные свойства детали: задиры, царапины, забоины, вмятины и т.п.

На основе ремонтных технологий с такими дефектами восстанавливают корпусные детали, лопатки и диски турбин и компрессоров, штоки гидравлических и пневматических систем и др. На рис. 1 приведена схема поверхностного слоя с рассматриваемыми дефектами.

В соответствии с приведенной схемой толщина удаляемого слоя Hdn (перед нанесением восстановительного слоя) с учетом выравнивания поверхности, установленных допусков и погрешностей на обработку составляет:

После подготовки поверхности для нанесения восстановительного слоя с учетом допусков и погрешностей обработки получают поверхность, соответствующую размеру N3 (рис.1). При этом часть поверхностных дефектов будет удалена, как например дефект 3, часть же дефектов может остаться, как дефект 1 - на глубину Нто и дефект 2 - на глубину НЗО. Условия восстановления поверхностного слоя, имеющих два последних дефекта, изложены ниже.

Восстановление поверхностей, имеющих трещины, предусматривает расшивку трещин с их последующей наплавкой. При этом к наплавке предъявляются требования:

- обеспечение конструкционной прочности детали после восстановления;

- обеспечение эксплуатационных свойств поверхности и поверхностного слоя.

Исследованием деформированного состояния материала в окрестности трещины установлены области разрушения, способствующие ослаблению и разрушению связи между микро- и макрообъемами материала [3,4]. Поэтому ликвидации такого вида дефектов с устранением несплошности путем, например, наплавки, должно предусматривать определение границ зоны предразрушения (ЗП) материала и его удаление.

Для определения напряженного состояния тела из упруго-пластичного материала в соответствии с рис. 2 может быть использована зависимость [5]:

Судя по зависимости (2), наибольшие напряжения имеют место при г→0, т.е. у вершины трещины. В этом месте и формируются первые пластические деформации, по периметру которых возникает фронт упругих деформаций.

Отдельные представления о развитии пластических зон у фронта трещины по известным данным [5] приведены на рис. 3.

Вместе с тем, полученные результаты по формуле (2) и зависимости на рис. 3 по формированию границ зоны материала на фронте распространения трещины, находящегося в состоянии предразрушения или близкого к этому, получены как приближенные решения.

С учетом этого была разработана методика определения границ удаляемого материала в окрестностях трещины, которая предусматривает:

- предварительную расчетную оценку границ зоны предразрушения по формуле (2);

- определение границ зоны предразрушения упрочняющихся материалов измерением микротвердости очага деформации;

- определение границ удаляемого материала с учетом погрешностей измерения параметров трещины и погрешностей размерной обработки.

Зависимость для определения глубины зоны удаляемого материала с учетом принятого на рис. 2 параметра z/lT имеет вид:

После определения границ зоны удаляемого материала определяют геометрические характеристики расшивки трещины, которые должны удовлетворять следующим условиям:

- гарантированное удаление материала, находящегося в ЗП;

- соответствие условиям формирования сварных швов в полости расшивки трещины.

В основу решений устранения дефектов в виде царапин, рисок и забоин у деталей типа «шток» приняты условия нагружения деталей в эксплуатации.

Наличие на поверхности деталей указанных дефектов, расположенных преимущественно в осевом направлении, снижает работоспособность по следующим условиям:

- по причинам потери гидроплотности пары «шток-уплотнительное устройство»;

- за счет уменьшения площади поперечного сечения детали происходит уменьшение коэффициента запаса прочности на растяжение и коэффициента запаса прочности на устойчивость при сжатии.

При нагружении штока на растяжение условие прочности детали имеет вид:

При восстановлении деталей с царапинами и подобными дефектами заполнение полости дефекта предусмотрено проводить локальным гальваническим покрытием, лазерной и электроннолучевой наплавкой, электрохимико-механической обработкой. При этом принято, что площадь поперечного сечения штока, работающего на растяжение, и устойчивость по формулам (5, 6) не восстанавливаются. Задачами этого восстановления являются:

- обеспечение необходимой гидроплотности штока в паре со смежной деталью;

- создание необходимых характеристик сцепления наносимого восстановительного слоя с основой;

- формирование заданных эксплуатационных свойств материала поверхностного слоя (износостойкости, коэффициента трения и др.).

Таким образом, общая площадь сечения детали, потерянная внесением рассматриваемых дефектов в процессе эксплуатации, составляет

- суммарная площадь материала, удаленного при расшивке дефектов.

Наличие дефектов уменьшает площадь сечений деталей [5]. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициентов запаса nр и nу в формулах (5, 6). В соответствии с предлагаемыми подходами к восстановлению деталей отношение коэффициентов запаса новой и восстановленной детали определяется отношением:

Порядок подготовки необходимых данных для восстановления деталей с поверхностными дефектами приведен на рис.4.

Полученные результаты обоснования размеров удаляемого дефектного и наносимого восстановительного слоев использованы для разработки ресурсосберегающей технологии восстановления широкой номенклатуры деталей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Восстановление деталей машин. Справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин, В.П. Ива нов - М: Машиностроение, 2003.- 672 с.

2. Вивденко, Ю. Н. Технологические системы производства деталей наукоемкой техники - М: Машиностроение, 2006.- 553 с.

3. Панасюк, В. В. Пластические деформации в окрестностях трещины и критерии разрушения / В. В. Панасюк, С. Я. Ярема // Проблемы прочности. - 1973. -№ 2-С. 3-18.

4. Слепян, Л. И. Механика трещин / Л. И. Слепян; - Л.: Судостроение , 1990. - 297 с.

5. Райс, Д. Напряжения, обусловленные острым вырезом в упрочняющемся упруго-пластическом материале при продольном сдвиге / Д. Райс // Прикладная механика. 1967 т. 34 №2 с. 17-25.

---