РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОРСИОНОВ СЕРИЙНЫХ ТАНКОВ

Л. С БАБАШКО, Е. Е. ЗАХАРОВА, Н. С. КУДРЯВЦЕВА, В. С. СЫСОЕВА,

Г. А. ЧУМАК, И. X. ШАРИПОВА

Вестник бронетанковой техники, № 3. 1985

По действующему положению в отрасли проводятся периодические контрольные стендовые испытания торсионных валов серийных танков. Значение контрольных испытаний, проводимых по еди­ной методике на одном и том же предприятии, заключается в том, что они позволяют своевременно исправить отдельные случаи нарушения технологии изготовления торсионных валов на заводах, выпускающих основные танки.

Проводится два вида испытаний: на усталость при циклическом деформировании кручением и статическое кручение. В первом случае проверяют два вала в месяц (для танка Т-80 — два вала в квар­тал). Торсионы для испытаний отбирает представитель заказчика в присутствии представителя завода изготовителя.

На статическое кручение отбирают один вал в ме­сяц. По результатам этих испытаний определяют экспериментальную характеристику упругости (пре­дел пропорциональности), а также пластичность торсионов, оцениваемую по относительному макси­мальному сдвигу при кручении γ_max (п процентах), который определяется по углу разрушения вала φ_max по формуле

γ_max = φ_max d₀ / 2l – 57,3

где d₀ – диаметр стержня вала, мм; l – расчетная длина вала, см.

Указанные характеристики позволяют оценивать качество термической обработки и комплексного упрочнения торсионов.

Известно [1], что долговечность торсионных валов зависит от многих факторов: геометрических раз­меров, качества термообработки и самого металла, режима поверхностного упрочнения и принятой схемы упрочнения, режима испытания и др.

Торсионные валы изготавливают из стали 45ХН2МФА-Ш [2], обрабатывают на высокую прочность σ_в = 2000...2200 МПа (закалка, отпуск 220±10 °С) и упрочняют по схеме: заневоливание, обкатывание, повторное заневоливание. Однако имеются различия в технологии производства ва­лов различных машин. Поэтому для каждого чер­тежа торсионного вала режимы испытаний различ­ны (табл. 1).

Периодические испытания в течение 22 лет дают богатый материал для анализа долговечности тор­сионов разных машин (табл. 2). При подсчете сред­ней долговечности учитывалась долговечность ва­лов, доведенных до разрушения или выдержавших более 500 тыс. циклов.

Представленные результаты свидетельствуют о том, что средняя долговечность высокопрочных тор­сионных валов в 2,5...5 раз выше требований техни­ческих условий на деталь. Максимальная долго­вечность колеблется в пределах 866...2 774 тыс. циклов в зависимости от режима испытания, упроч­нения и геометрических размеров торсионов. Одна­ко в отдельные годы торсионы выдерживали всего 150 тыс. циклов. В 1979, 1980, 1982 гг. были слу­чаи преждевременного разрушения торсионов 434.51.059/060, в 1980 г . – 172.51.001, в 1982 г . – 219-33-1/2. Исследования торсионных валов, не вы­державших 15 тыс. циклов, показали, что разру­шение их связано, как правило, с очевидным нарушением технологии или недостаточным качеством металла.

Таблица 1. Режимы периодических стендовых испытаний торсионных валов

Например, торсионный вал 172.51016 в 1980 г . был сломан после 26 тыс. циклов вследст­вие внутреннего дефекта металла во всю длину торсиона. Между тем техническими условиями ТУ 1-14-1725—76 расслоение стали 45ХН2МФА-Ш не допускается.

Разрушение валов 434.51.059 в 1977 г . после 97 тыс. циклов испытания было вызвано остаточным обезуглероживанием поверхности в связи с малым припуском на механическую обработку. Увеличение диаметра исходной заготовки с 53 до 55 мм позволило исключить систематический брак торсионов.

Таблица 2. Долговечность кондиционных торсионных валов различных танков

Следует отметить, что уровень выполнения техно­логии изготовления торсионов существенно отли­чается на различных предприятиях. Торсионные валы танка Т-80, производимые на одном из заво­дов, выдерживали 687,5 тыс. циклов в 1981 г . и 221 тыс. циклов в 1982 г . в то время как валы дру­гого завода – 910 тыс. циклов кручения.

Немаловажную информацию дает анализ места разрушения торсионов. В 1982 г . все торсионы 219.33-1/2 были разрушены по шлицевым головкам, причем средняя долговечность понизилась в 2,5 ра­за. Это было связано с пропуском отдельных шлицев при обкатывании, с обкатыванием впадин роликами, с изношенной рабочей кромкой, с пло­хим качеством очистки окалины на шлицах и т. п.

При обкатывании роликами окалину вдавливали в поверхность впадин, вызывая местные надрывы, ко­торые затем становились очагами разрушения. Спе­циально проведенный контроль технологических параметров процесса обкатывания впадин непо­средственно на заводе показал нарушение режима обкатывания: натяг роликов составлял 0,32 мм

вместо 0,6 мм .

Торсионные валы 434.51.059 наиболее часто разру­шаются на расстоянии 75... 110 мм от головок. В среднем за все годы в этом месте ломалось 57 % деталей, в то время как по стержню – 16, по шли­цевым головкам — 27% торсионов. Это свидетельствует о сочетании неблагоприятных факторов на этом участке вала: двойное выполнение шлифова­ния, продольное раскатывание, упрочняющее об­катывание роликами стержня и галтелей.

Анализ характера, места разрушения и долговеч­ности торсионных валов 172.51.016 показал, что в 1982 г . количество торсионов, разрушенных по стержню, не изменилось и составляло 74 % от об­щего числа разрушенных валов, однако средняя долговечность уменьшилась в 1,8 раза по сравне­нию с 1980 г . При этом 40 % торсионов разруша­лись в одном месте: на расстоянии 1 140...1 200 мм от торца малой головки. Ранее, в 1980–1981 гг., этого не наблюдалось. Оказалось, что в 1982 г . в цехе использовались новые станки УВ-3. На ста­рых станках УВ-1 и УВ-2 обкатывание стержня и галтелей осуществляется таким образом, что зона перекрытия обкатанных участков находится около галтелей, а при упрочнении на станке УВ-3 в цент­ре вала на расстоянии 1 140...1 200 мм от торца малой головки.

При разрушении торсионов по шлицевым головкам начальный очаг обычно расположен у поверхности впадины шлица. В одних случаях разрушение торсиона начинается от боковой поверхности шлица и вызвано усталостным разрушением отдельных шлицев от изгибных нагрузок. В других случаях разрушение начинается по впадине и приводит к усталостному разрушению головки вала. Расположение начального очага в поверхностном слое вала определяется тем, что при кручении наибольшие напряжения возникают на поверхности и уменьшаются к сердцевине вала.

Поэтому основны­ми факторами, определяющими работоспособность торсиона при циклических нагрузках, являются со­стояние поверхностного слоя (шлифовочные прижоги, обезуглероженный слой, механические по­вреждения, коррозия) и качество поверхностного упрочнения роликами. Следует учитывать также большую чувствительность высокопрочных торсио­нов к различным концентраторам напряжений. Кроме того, период развития усталостной трещи­ны у высокопрочных сталей невелик и составляет примерно 10...20 % от общей долговечности де­тали [3]. Сопротивление стали зарождению и раз­витию трещины повышают упрочнением (пласти­ческое деформирование). Упрочнение поверхно­сти является эффективным средством торможения  усталостных трещин на начальном этапе их развития [4].

Стендовые испытания показали (табл. 3), что наи­большую долговечность имеют торсионы, началь­ные очаги разрушения которых расположены под упрочненным слоем на некотором расстоянии от поверхности, и наименьшую – у которых началь­ные очаги разрушения расположены у поверхности. Различие в долговечности может быть в 1,5...3 ра­за. Таким образом, не меняя технологии изготовле­ния серийных торсионов, можно повысить их дол­говечность лишь за счет качественного выполнения обработки поверхности и упрочнения ее обкатыванием.

Таблица 3. Изменение циклической долговечности в зависимости от положения начального очага разрушения торсионов, тыс. циклов

Следует отметить, что у торсионных валов, про­шедших операцию деформированного старения мартенсита, начальные очаги разрушения располо­жены только на поверхности. Продольное раскаты­вание валов в этой операции вызывает появление в тонком поверхностном слое (до 1 мм ) высоких растягивающих напряжений [5]. При последую­щем упрочняющем обкатывании величина сжимаю­щих остаточных напряжений получается несколько меньше, чем в случае, если продольное раскатыва­ние не проводилось. Поэтому для повышения дол­говечности торсионов необходимо проводить рабо­ту с целью уменьшения растягивающих напряже­ний в поверхностных слоях торсионов после опе­рации продольного раскатывания. Работоспособность торсионных валов существенно зависит от запаса упругости: разницы между пре­делом пропорциональности и максимальными на­пряжениями в процессе испытания. При обычных режимах испытаний остаточная деформация после 150 тыс. циклов составляет 0°50'...2°50'. Пре­вышение этих значений свидетельствует об имею­щихся отклонениях в качестве торсионных валов или режимах их испытаний [6].

Например, контрольный вал 172.51.016 после пер­вых циклов нагружения имел остаточную дефор­мацию 8°35', в то время как испытывавшийся с ним в паре вал – 0°21'. Отклонений в структуре и твердости деталей не обнаружено.

Построены диаграммы кручения торсионных валов:

1. после шлифования;
2. после заневоливания и обкатывания стержня;
3. готового торсиона;
4. готового торсиона, закрученного в сторону, противоположную заневоливанию.

Анализ этих диаграмм показал, что при закручива­нии торсионов на 89° остаточная деформация со­ставляет в первом случае 12...13°, во втором 7...8°, в третьем 0°, в четвертом 24…25°, т. е. при­чина повышенной деформации исследуемого конт­рольного вала – отсутствие повторного заневоливания.

Периодические стендовые испытания подтвержда­ют высокую долговечность высоконагруженных торсионов, которая в несколько раз превышает требования чертежей; колебания долговечности и случаи пониженной работоспособности вызваны нарушением технологии их изготовления. Прежде­временные разрушения торсионов по шлицевым головкам обусловлены:

• низким качеством упрочнения шлицев (пони­женное усилие накатывания, малый натяг при вы­ставке отдельных роликов, использование роликов с деформированной рабочей кромкой);
• плохой подготовкой поверхности впадин шлицев под накатывание (коррозия, окалина);
• нарушением геометрических размеров шлицев.

Разрушение валов по стержню и галтелям связано с наличием обезуглероживания и коррозии поверх­ности, пониженные усилием обкатывания, шлифо­вочными прижогами, некачественно выполненным перекрытием от обкатывания стержня и галтелей, перегревом металла при термической обработке, а также недостаточным качеством металла.

Вывод. Принятые показатели – долговечность (число циклов до разрушения), остаточная пласти­ческая деформация при циклических испытаниях, пластичность и предел пропорциональности при статическом кручении, место и характер разруше­ния торсионов, расположение начального очага разрушения — обеспечивают своевременный конт­роль за соблюдением технологического процесса изготовления торсионных валов на разных пред­приятиях отрасли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сысоева В. С., Чумак Г. А., Маслова Н. С. и др. Высоконагруженные торсионные валы гусеничных машин. — М.: ЦНИИ информации, 1980, ДСП.
2. ТУ 14-1-1725—76. Сталь горячекатаная конструкционная легированная высококачественной марки 45ХН2МФА-Ш.
3. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть ме­таллов.— М.: Металлургия, 1973.
4. Бойцов Б. В., Кравченко Г. Н. Исследование влияния поверхностного пластического деформирования на развитие усталостных трещин в стали 30ХГСН2А. — Проблемы проч­ности, 1983, № 7. Агасьянц Г. А., Маслова Н. С., Васильева А. Г. и др.
5. Влияние продольного раскатывания термообработанной ста­ли 45ХН2МФА-Ш на ее механические свойства и распреде­ление остаточных напряжений по сечению. — Производствен­но-технический бюллетень, 1982, № 5, 40В-
6. Сысоева В. С., Чумак Г. А. Остаточные напряжения при деформационном упрочнении высокопрочных сталей. — Проб­лемы прочности, 1973, № 5.