способ стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое детали

Формула изобретения

Способ стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое детали, включающий вибрационное старение ультразвуковой обработкой, отличающийся тем, что ультразвуковой обработке подвергают цилиндровую втулку высокофорсированного дизеля на устойчивой резонансной частоте в 19 - 21 кГц с амплитудой колебаний в 50 - 80 мкм путем увеличения мощности потребителя до 3 - 3,5 кВт и времени обработки до 10 - 12 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к термической обработке деталей машин и может быть использовано в двигателестроении для повышения работоспособности высокофорсированных дизелей.

Известен метод динамического нагружения отливок для стабилизации размеров путем принудительной вибрации [1]. При этом в отливке возникают постоянные или затухающие колебания, создающие дополнительные нагружения ее материала дополнительными напряжениями. Так как вибрационная обработка способствует уменьшению коробления отливок, считается, что она вызывает резкое снижение имевшихся в отливке остаточных напряжений.

Известен способ вибрационного старения деталей, включающий вибрационную обработку последних циклическими напряжениями [2]. Эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудителем, а также геометрической формой детали.

Известен способ обработки металлов ультразвуком для снятия остаточных напряжений [3]. В устройстве, применяемом для снятия остаточных напряжений, используется магнитострикционные преобразователи, которые поджимаются к обрабатываемой детали и в случае необходимости перемещаются вдоль длины детали. Благодаря такой обработке достигается снятие напряжений по всей длине детали (например, рельсы).

Указанный способ является прототипом заявленному.

Недостатком известных способом стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое детали является ее невысокая работоспособность, обусловленная высоким уровнем остаточных напряжений как после литья, штамповки и механической обработки, так и после стабилизации их различными способами (по экспериментальным данным ОАО ""Волгодизельмаш" максимальные остаточные напряжения в цилиндровой втулке высокофорсированного дизеля ЧН 21/21 достигают 100 - 250 МН/м²).

Наибольшая величина остаточных напряжений, которая допускает стабилизацию размеров при вибрационной обработке [2], составляет 0,35 _в = 73.5 МН/м² (где _в = 210 МН/² - предел прочности чугуна при растяжении). Вибрационная обработка таких отливок должна производиться при режиме вибрационного старения, когда возникающие в них дополнительные напряжения растяжения [2] составляют 0,15_в, т. е. 31,5 МН/м². Использовать режимы, создающие вибрационные напряжения больше 31,5 МН/м², опасно, так как возможно разрушение отливок. Следовательно в известных методах не обеспечивается полная стабилизация остаточных напряжений в отливках цилиндровых втулок.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения работоспособности цилиндрической втулки высокофорсированного дизеля.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе, включающем вибрационное старение, последнее осуществляют ультразвуковыми колебаниями на устойчивой резонансной частоте в 19 - 21 кГц с амплитудой колебаний в 50 - 80 мкм путем увеличения мощности потребителя до 3 - 3,5 кВт и времени обработки цилиндровой втулки до 10 - 12 мин.

Отличительными признаками предложенного способа является то, что ультразвуковой обработке подвергают цилиндровую втулку высокофорсированного дизеля на устойчивой резонансной частоте в 19 - 21 кГц с амплитудой колебаний в 50 - 80 мкм путем увеличения мощности потребителя до 3 - 3,5 кВт и времени обработки до 10 - 12 мин.

На фиг.1 представлена блок-схема способа стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля. Схема включает ультразвуковой генератор 1 марки УЗГ - 2 - 4М для преобразования электрической энергии в 50 Гц в энергию ультразвуковой частоты, ванну 2, в основании которой монтируют магнитострикционный преобразователь ПМС - 6 - 22 (потребитель) с установленной на его плиту цилиндровой втулкой 3. Средством анализа и обработки информации 4, например, прибором ИОН - 4М регистрируют остаточные напряжения в поверхностном слое цилиндровой втулки.

Всей блок-схемой управляют через систему управления 5.

Способ осуществляется следующим образом.

Устанавливают цилиндровую втулку 3 на плиту магнитострикционного преобразователя 2 (потребителя), включают в электросеть питания и управление схемой, после чего устанавливают резонансную частоту работы магнитострикционного преобразователя 2 и ультразвукового генератора 1 в 19 - 21 кГц с амплитудой колебаний в 50 - 80 мкм путем увеличения мощности потребителя до 3 - 3,5 кВт. Производят обработку цилиндровой втулки ультразвуковыми колебаниями в течении 10 - 12 мин. Степень стабилизации остаточных напряжений в цилиндровой втулке оценивают по прибору, например, ИОН - 4М. При этом контроль качества стабилизации напряжений осуществляют по истечению 24 ч после ультразвуковой обработки цилиндровой втулки.

При увеличении резонансной частоты больше 21 кГц снижается амплитуда ультразвуковых колебаний (менее 50 мкм), что приводит к затуханию волнового движения и неработоспособности схемы стабилизации остаточных напряжений.

При снижении резонансной частоты менее 19 кГц увеличивается амплитуда ультразвуковых колебаний более 80 мкм, которая создает обратные колебания. Последние гасят амплитуду ультразвуковых колебаний, увеличивая время на обработку цилиндровой втулки свыше 12 мин, что нецелесообразно. На фиг. 2 в качестве примера и доказательства положительного эффекта представлен график стабилизации остаточных напряжений по диаметру цилиндровой втулки (в верхнем поясе) дизеля ЧН 21/21. График показывает, что после обработки цилиндровой втулки вибрационным старением с ультразвуковыми колебаниями, остаточные напряжения в поверхностном слое уменьшились с 200 - 250 МПа до 0 - 15 МПа и затем стабилизируются во времени.

Изложение позволяет сделать вывод, что предложенный способ стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля повышает работоспособность конструкции путем снижения остаточных напряжений с 200 - 250 МПа до 0 - 15 МПа и их стабилизации во времени.

Механизм влияния ультразвуковых колебаний на остаточные напряжения в процессе вибрационного старения цилиндровой втулки предусматривает пластические сдвиги в структуре металла цилиндровой втулки, которые способны уменьшить уровень остаточных напряжений.

В результате использования изобретения по сравнению с базовым серийным способом стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля ЧН 21/21 производства ОАО "Волгодизельмаш" создается высокий экономический эффект.

Использование изобретения позволяет повысить работоспособность конструкции путем стабилизации остаточных напряжений ультразвуковыми колебаниями.