Пластическое упрочнение деталей

Упрочнение ферменных систем

При этом способе участки материала, наиболее нагруженные в рабочем состоянии, предварительно подвергают пластической деформации, создавая в них остаточные напряжения, противоположные по знаку рабочим.

Упрочнение перегрузкой. Упрочнение перегрузкой заключается в воздействии на деталь повышенной силы того же направления, что и рабочая, вызывающей пластические деформации наиболее напряженных участков.

При изгибе бруса поперечной силой Рраб (рис. 273, а) в верхних волокнах материала возникают напряжения сжатия, а в нижних — растяжения. Подвергнем брус действию достаточно большой силы Р, вызывающей пластические деформации крайних волокон (рис. 273, б). Верхние волокна укорачиваются, а нижние удлиняются. Центральные волокна остаются в состоянии упругой деформации. После снятия упрочняющей нагрузки сердцевина, возвращаясь в исходное состояние, растягивает сжатые верхние волокна и сжимает растянутые нижние волокна, вызывая в них напряжения, обратные по знаку рабочим напряжениям; в сердцевине возникают реактивные напряжения (рис, 273, в).

Упрочнение перегрузкой

Если напряженный таким образом брус подвергнуть действию рабочей нагрузки Pраб (рис. 273, г), то остаточные и рабочие напряжения алгебраически суммируются. Результирующие напряжения в крайних волокнах оказываются существенно меньше напряжений, возникающих в брусе, не подвергнутом упрочнению (рис. 273, д). Следовательно, не переходя допустимого предела напряжении, можно нагрузить брус значительно большей силой.

Аналогичен способ упрочнения толстостенных цилиндрических сосудов путем предварительного приложения повышенного внутреннего давления (например, а автофретирование стволов артиллерийских систем).

В сосуде создают давление, вызывающее пластическую деформацию растяжения внутренних слоев стенки (рис. 273, е). После снятия давления упругонапряженный основной материал стенки, возвращаясь в исходное состояние, сжимает пластически деформированные внутренние слои, вызывая в них остаточные напряжения сжатия (рис. 273, ж). Напряжения растяжения, возникающие в стенках сосуда под действием рабочего давления (рис. 273, з), отчасти уравновешиваются предварительными напряжениями сжатия. Пик напряжения у внутренней поверхности снижается, распределение напряжений по стенке становится более равномерным (рис. 273, и), прочность сосуда возрастает.

Метод перегрузки применяют также для упрочнения стержней, работающих на кручение. Стержень подвергают действию повышенного крутящего момента М, вызывающего в крайних волокнах сечений стержня пластические деформации сдвига (рис. 273, к). После снятия перегрузки упругая сердцевина стержня расправляется, увлекая за собой пластически деформированные волокна и вызывая в них напряжения, обратные по знаку напряжениям сдвига от рабочей нагрузки (рис. 273, л).

Если теперь приложить к стержню рабочий крутящий момент Мраб, то остаточные напряжения складываются с рабочими, снижая результирующие напряжения (рис. 273, м и н) На этом принципе основано упрочнение спиральных пружин путем заневоливания (выдержка пружины под повышенной осевой нагрузкой).

При упрочнении конусных деталей, нагруженных осевой силой, к детали прилагают перегрузочную силу Р (рис. 273, о), под действием которой верхний фланец подвергается сжатию, а нижний — растяжению в радиальных направлениях. Силу Р выбирают так, чтобы напряжения во фланцах превосходили предел текучести материала. После снятия перегрузки стенки конуса, упруго расправляясь, растягивают пластически сжавшийся верхний фланец и стягивают пластически раздавшийся нижний фланец, вызывая в первом остаточные напряжения растяжения, а во втором — сжатия (рис. 273, п).

Приложение рабочей нагрузки Рраб вызывает во фланцах напряжения, обратные по знаку предварительно созданным, что снижает конечные напряжения (рис. 273, р и с).

Упрочнение перегрузкой применимо только для материалов, обладающих достаточной пластичностью. В хрупких материалах перенапряжение может вызвать в растянутых слоях микротрещины и надрывы, выводящие деталь из строя. Такое же явление может произойти в пластичных материалах при высоких степенях деформации. Поэтому пластическую деформацию ограничивают, допуская перенапряжение не выше (1,1—1,2)·σ0,2. Следует учитывать, что всякий вид перенапряжения упрочняет материал только против действия нагрузки одного направления и разупрочняет при действии нагрузки противоположного направления. Таким образом, этот способ применим при нагрузках постоянного направления, пульсирующих, а также знакопеременных с преобладанием нагрузки одного направления (асимметричные циклы).

Из предшествующего очевидно, что всякая система, находящаяся под действием нагрузок постоянного направления и изготовленная из достаточно пластичного материала, обладает в известной степени свойством самоупрочнения. Временное повышение рабочей нагрузки до значения, вызывающего умеренные пластические деформации, упрочняет систему. Если же деталь испытывает переменные нагрузки, то переход за предел текучести под действием нагрузки одного направления ослабляет материал против действия нагрузки противоположного направления.

Положительной стороной метода перегрузки является то, что при нем избирательно упрочняются наиболее напряженные участки. Перегрузка как бы нащупывает и автоматически усиливает слабые места конструкции.

Объемное уплотнение. Объемное уплотнение заключается в глубоком обжатии участков детали, испытывающих при рабочей нагрузке напряжения растяжения. Детали подвергают обжатию на стадии заготовки в холодном или полупластичном состоянии.

Упрочнение объемным уплотнением

В случае бруса, изгибаемого поперечной силой Рраб (рис. 274, а), обжимают участки, противоположные действию нагрузки (заштрихованный участок) Пластическая деформация материала вызывает прогиб бруса выпуклостью вниз. После обжатия брус расправляется под действием упругих сил материала; в обжатых участках возникают напряжения сжатия, в необжатых — напряжения растяжения (рис. 274, б). При действии рабочей нагрузки суммирование остаточных и рабочих напряжений уменьшает результирующие напряжения (рис. 274, в и г).

Распределение результирующих напряжений зависит от соотношения сечений обжатой и необжатой зон, от степени обжатия и ее изменения по сечению детали. При рациональном выборе этих параметров можно значительно (вплоть до полного устранения) уменьшить конечные напряжения.

Упрочнение объемным уплотнением

Примеры объемного упрочнения показаны на рис. 275 (обжатые зоны зачернены). Балки (рис. 275, а) упрочняют прокатыванием полок, фасонные детали (рис. 275, б) — обжатием наиболее напряженных на растяжение элементов; отверстия ступиц (рис. 275, в) — прошиванием; плоские детали (рис. 275, г) — опрессовкой с торцов; детали типа колец (рис. 275, д) — эксцентричным раскатыванием и накатыванием.

Термопластичное упрочнение. Термопластичное упрочнение основано на том, что при неравномерном нагреве в горячих участках детали возникают напряжения сжатия, а в холодных — напряжения растяжения. Их значение зависит от температурного перепада, коэффициента линейного расширения и модуля упругости материала. При достаточно больших температурных перепадах появляются местные пластические деформации, которые можно использовать для упрочнения.

Термопластичное упрочнение

Пусть брус подвергается изгибу рабочей силой Рраб (рис. 276). При термопластичном упрочнении брус нагревают со стороны действия силы. Нагретые слои удлиняются и сжимаются под действием более холодных смежных слоев, в которых возникают реактивные напряжения растяжения. Напряжения сжатия и растяжения и распределение их по сечению зависят от градиента температуры в сечении. В рассматриваемом случае выгодно равномерно прогреть брус на значительную глубину (рис. 276, а), чтобы вызвать небольшие напряжения сжатия на нагретой стороне и высокие, превосходящие предел текучести напряжения растяжения в тонком холодном слое на противоположной стороне (рис. 276, б).

После охлаждения до исходной температуры напряжения, возникающие в результате разности температур, исчезают. Пластически же растянутые слои сжимаются действием упругих сил основного материала. В этих слоях возникают напряжения сжатия, а на противоположной стороне — уравновешивающие напряжении растяжения (рис. 276, в). Брус становится целесообразно преднапряженным. При действии силы остаточные напряжения вычитаются из рабочих и результирующие напряжения уменьшаются (рис. 276, г и д).

Если сильно нагреть тонкий верхний слой (е), вызвав в нем остаточные напряжения сжатия (ж), то после охлаждения в нем возникнут напряжения растяжения, а в нижележащих слоях — незначительные уравновешивающие напряжения сжатия (з). При действии рабочей силы остаточные напряжения вычитаются из рабочих (и); результирующие напряжения (к) уменьшаются. Однако выигрыш в величине растягивающих напряжений здесь гораздо меньше, чем в предыдущем случае.

Термопластичному упрочнению подвергают преимущественно детали из легких сплавов, обладающих комплексом необходимых в данном случае свойств; высоким коэффициентом линейного расширения, малым пределом текучести и низкой температурой перехода в пластичное состояние. Упрочняют, например, роторы, выполненные из легких сплавов. Задача заключается в том, чтобы уравновесить растягивающие напряжения от центробежных сил, имеющих максимальное значение в ступице ротора. Еще более высокие растягивающие напряжения возникают в ступице, если ротор при работе нагревается с периферии, а также если ступица посажена на вал по посадке с натягом.

При упрочнении диск подвергают нагреву с периферии (рис. 276, л). Температуру нагрева и градиент температуры по радиусу диска выбирают так, чтобы вызвать во внутренних холодных слоях остаточные деформации растяжения. После охлаждения растянутые слои сжимаются упругим действием наружных слоев; во внутренних слоях возникают преднапряжения сжатия, в наружных — растяжения (рис. 276, м). При действии рабочей нагрузки (рис. 276, н) остаточные и рабочие напряжения алгебраически складываются; результирующие напряжения (рис. 276, о) имеют меньшие значения и распределены более благоприятно, чем в случае диска, не подвергнутого упрочнению.

Технология процесса может быть различной. Для увеличения перепада температур можно одновременно с нагревом периферии охлаждать ступицу. В некоторых случаях достаточно глубокого охлаждения ступицы (например, в жидком кислороде). Неодинакова и последовательность процессов. Можно равномерно прогреть весь диск, а затем быстро охладить ступицу. Тот же результат получается, если диск охладить до минусовой температуры, а затем его прогреть с периферии.

Режим упрочнения должен быть согласован со значением и знаком рабочих напряжений. Если сердцевина детали при работе подвергается сжимающим напряжениям, то целью упрочнения становится получение преднапряжений растяжения во внутренних слоях предварительным созданием в них остаточных деформаций сжатия. Процесс упрочнения в данном случае должен быть обратным вышеописанному: следует нагревать деталь в центре и охлаждать с периферии.

Общее правило таково: для получения преднапряжений сжатия данный участок детали следует охлаждать, для получения преднапряжений растяжения — нагревать.

Недостатком метода термопластичного упрочнения является многообразие факторов, определяющих величину, знак и распределение преднапряжений, а также затруднительность строгого соблюдения тепловых режимов обработки, от которых зависят устойчивость и воспроизводимость результатов. Температура нагрева при упрочнении должна быть ниже температур фазовых превращений и предшествующей термообработки.

При нагреве детали до температур, близких к температурам термоупрочнения, особенно при наличии в детали высоких напряжений, упрочняющий эффект теряется.

Упрочнение ферменных систем. Аналогичными приемами можно упрочнять ферменные, рамные системы и близкие к ним конструкции. В ферменном кронштейне, нагруженном растягивающей силой Р (рис. 277, а), средний стержень нагружен значительно больше боковых. Упругая деформация среднего стержня под нагрузкой (а, следовательно, по закону Гука и напряжения растяжения в нем) больше деформации боковых стержней в отношении s/s' ≈ 1/cos α (при α = 60—70° в 2—3 раза).

Упрочнение ферменных систем

Систему можно упрочнить перегрузкой, вызвав в среднем стержне пластические деформации растяжения. После снятия упрочняющей нагрузки средний стержень оказывается сжатым силами упругости боковых стержней (рис, 277, б), а в боковых стержнях возникают напряжения растяжения (светлые стрелки). С приложением рабочей силы нагрузка на стержни выравнивается (рис. 277, в); нагрузочная способность системы увеличивается.

При термопластичном упрочнении боковые стержни нагревают до появления остаточных деформаций растяжения в среднем стержне. После остывания в среднем стержне возникают напряжения сжатия; система оказывается целесообразно преднапряженной. При упругом упрочнении натягивают боковые стержни или увеличивают длину среднего стержня против номинальной с таким расчетом, чтобы при сборке в нем возникли напряжения сжатия.

В литой конструкции можно достичь преднапряжения, обеспечив более раннюю кристаллизацию материала среднего стержня и более быстрое его охлаждение по сравнению с боковыми стержнями (например, установкой холодильников в форме).

Скрепление станин. В прессе обычной конструкции (рис. 278, а) рабочая сила Рраб, действующая на ригель 1, воспринимается колоннами 2, работающими на растяжение. Скрепленная станина (рис, 278, б) состоит из ригелей 3 и стоек 4, стянутых уложенной в несколько слоев высокопрочной холоднокатаной лентой 5. Натяжение ленты создают клиньями 6, устанавливаемыми в зазор между стойками и ригелем. Лента подвергается растяжению, стоики и ригели — сжатию.

Схемы станин

Для предотвращения раскрывания стыка и потери устойчивости системы натяжение ленты выбирают таким, чтобы после приложения силы Рраб на стыках оставался натяг Рсж:

Plastiches uprochnenie 7

где v — коэффициент затяжки (обычно v = 0,6—1,5).

Лента растягивается силой

Plastiches uprochnenie 8

т. е. несет нагрузку в 1 + v раз (в среднем в 2 раза) большую, чем колонны обычного пресса, нагруженные только силой Рраб. Таким образом, для восприятия рабочей нагрузки используется примерно половина прочности ленты; другая половина затрачивается, по существу, бесполезно на сжатие стоек.

Необходимая сила затяжки ленты определяется по формуле

Сила затяжки ленты

где λ1 и λ2 — коэффициенты жесткости ленты и стек, равные соответственно: λ1 = Е1F1; λ2 = Е2F2, где F1 и F2 — сечения ленты и стоек; Е1 и Е2 — модули нормальной упругости материалов соответственно ленты и стоек (при стальных стойках Е1 = Е2).

Несущая способность скрепленной станины согласно формуле (123)

Несущая способность скрепленной станины

где [σ] — допускаемое напряжение растяжения в ленте. Несущая способность колонного пресса Р'раб = [σ']F'1, где [σ'] — допускаемое напряжение растяжения в колоннах площадью F'1.

Отношение

Plastiches uprochnenie 11

При равенстве запасов прочности отношение [σ]/[σ'] можно заменить отношением пределов текучести материалов ленты и колонн σ0,2/σ'0,2. Для холоднокатаной ленты σ0,2 = 1800 МПа, для колонн, изготовленных из углеродистых сталей, σ'0,2 = 450 МПа. Подставляя эти значения в формулу (125) и принимая v = 1, получаем

Plastiches uprochnenie 12

При колоннах, изготовленных из легированной стали с σ'0,2 = 800 МПа,

Plastiches uprochnenie 13

Таким образом, при F1 = F'1 несущая способность скрепленной станины превышает несущую способность обычной станины с колоннами из углеродистой стали примерно в 2 раза. При колоннах же из легированной стали разницы в несущей способности практически нет.

Максимальное напряжение сжатия в стойках скрепленного пресса согласно формуле (124)

Максимальное напряжение сжатия в стойках скрепленного пресса

При средних значениях v = 1 и λ12 = 0,15

Plastiches uprochnenie 15

т. е. стойки подвергаются напряжениям сжатия, примерно в 2 раза превышающим напряжения растяжения в колоннах пресса обычной конструкции. Так как прочность на сжатие сталей значительно выше, чем на растяжение, то эти напряжения не являются опасными. Однако введение лишних напряженных деталей нерационально.

Повышенные напряжения растяжения в ленте снижают жесткость станины в направлении рабочих нагрузок. Деформация скрепленной станины под рабочей нагрузкой при одинаковом запасе прочности превышает деформации колонной станины в σ0,2/σ'0,2 = 1800/450 = 4 раза.

Пусть напряжение растяжения в колоннах σ' = 100 МПа. При длине колонны 1500 мм удлинение колонн под действием рабочей нагрузки

При длине колонны 1500 мм удлинение колонн под действием рабочей нагрузки

При той же длине несущей части ленты удлинение скрепленной станины Δl = 4·0,75 = 3 мм, т. е. существенно больше.

Жесткость скрепленных станин можно сколько угодно повысить снижением напряжений в ленте путем увеличения числа слоев ленты, но в таком случае применение высокопрочного материала теряет смысл.

Из-за повышенной податливости скрепленные станины неприменимы в случаях, когда изделиям необходимо придать точные размеры (прокатные станы). Целесообразная область применения скрепленных станин — машины, подвергающиеся динамическим нагрузкам, где повышенная упругость станины способствует амортизации ударов.

По технологическим причинам скрепленные станины можно использовать для машин относительно небольших размеров (с увеличением габаритов машин усложняется и без того трудоемкая операции намотки лент).

Общий вывод состоит в том, что скрепленные станины не имеют существенных преимуществ перед обычными конструкциями, а по некоторым показателям (повышенная податливость, нетехнологичность) уступают им.

Для высоконагруженных станин наиболее целесообразна модифицированная рамная схема (рис. 278, в), в которой колонны заменены жесткими плитами 7, связанными с ригелем и основанием станины зубчато-пазовым соединением (или электрошлаковой сваркой). Увеличенное сечение несущих элементов позволяет создать прочные конструкции при умеренных поперечных габаритах.

Повышения прочности следует добиваться увеличением сечения плит, снижая напряжения с целью повышения продольной жесткости станины. Таким образом, в этой схеме не только допустимо, но и целесообразно изготовлять несущие элементы из дешевых углеродистых сталей.