Rybinsk, Russian Federation
UDK 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
The results of the study of the effect of corrosion of the surface of the part after machining with a blade tool on the strength index of the material of the part, characterized by the stress concentration in the surface layer of the material of the parts - the effective stress concentration coefficient. The calculated dependence and calculation results are presented with an assessment of the degree of change in the effect of corrosion on the surface roughness and its effect on the change in the stress concentration coefficient.
CUTTING, SURFACE LAYER, SURFACE CORROSION, STRESS CONCENTRATION IN THE MATERIAL OF THE SURFACE LAYER
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. Birger I. A. et al. Calculation of the strength of machine parts: Handbook / I. A. Birger, B. F. Shor, G. B. Iosilevich.- 3rd ed., reprint. and additional - M.: Mechanical Engineering, 1979.- 702 p.
2. Serensen S. V., Kogaev V. P., Schneiderovich R. M. Bearing capacity and calculations of machine parts for strength: Manual and reference manual. 3rd edition, revised and supplemented / Ed. Serensen S. V. - M.: Mechanical Engineering, 1975.- 488 p.
3. Peterson R. Stress concentration coefficients.- M.: Mir, 1977.- 302 p.
4. Elizavetin M. A. Improving reliability. Ed. 2nd perabot. and additional M.: Mashino-stroenie, 1973.- 430 p.
5. Satel E.A., Elizavetin M. A. Technological methods for improving the quality of the sur-face layer of machine parts. Collection No. 5: "Surface quality of machine parts". ANSSSR, 1961.- pp. 21-26.
6. Haviland R. Engineering reliability and durability calculation. M.- L. "Energy", 1966.- 231 p.
7. Bezylazny V. F., Kleimenov V. V., Pleshkun V. V. On the issue of the calculated determi-nation of the degree of corrosion effect during operation on the roughness of the treated surface // Bulletin of RGATU, № 2(65), 2023.- Pp. 115-121.
8. Bratukhin L. Ya., Gurevich L. Ya. Corrosion resistance of high-strength stainless steels.- M.: Aviatekhinform, 1999.- 288 p
9. Bratukhin A. G. Technological assurance of high-quality reliability, the resource of aviation equipment. - M.: Mechanical Engineering, 1966. - Volume I.- 550 p.; volume II. - 296 p.
10. Logan H.L. Corrosion of metals under stress. - M.: Metallurgia, 1970.- 340s.
11. Corrosion resistance of stainless steels in relation to aviation technology // Reference manual edited by L. Ya. Gurevich and A.D. Zhirnov.- M.: VIAM, 1988.
12. Wu Dinh Vui. Atmospheric corrosion of metals in the tropics.- M.: Nauka 1994.- 240 p.
13. Rosenfeld I. L. Atmospheric corrosion of metals. - M.: USSR Academy of Sciences, 1960.- 375 p.
14. Karnenko G. V. Strength of steel in a corrosive environment. Kiev, Mashgiz, 1963.-188 p.
15. Pokhmursky V. I. Corrosion fatigue of metals. M.: Metallurgy, 1985.-207 p.
16. Makarov A.V. Optimization of cutting processes. -M.: Mechanical Engineering, 1976.-264 p.
17. Bezjazychnyi V. F. Similarity method in mechanical engineering technology. - M.: Mashino-stroenie, 2012.- 320 p.
18. Engineering of the surface of parts / Call. Auth.; edited by A. G. Suslov, M.: Mashi-nostroenie, 2008.- 320 p.
19. Fedonin O. N. Engineering of the surface of a part from the standpoint of its corrosion resistance // Handbook. Engineering magazine. Appendix No. 10 2001.- pp. 17-19.
20. Suslov A. G., Dalsky A.M. Scientific foundations of mechanical engineering technology. M.: Mechanical Engineering, 2002.- 684 p.
21. Handbook of a machine-building technologist: In 2t / edited by A.M. Dalsky, A. G. Suslov, A. G. Kosilova, R, K. Meshcheryakova - 5th ed., reprint. and additional. - M.: Mashi-nostroye-1, 2001.- Vol.2.- 944 p.
