ЯГУТКИН ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ...

На правах рукописи

ЯГУТКИН ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

СОЕДИНЕНИЙ ТРУБА-КОЛЛЕКТОР, ТРУБА-ТРУБНАЯ ДОСКА

ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНЫХ

ЭНЕРГОУСТАНОВОК С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ

Специальность 05.02.08 – «Технология машиностроения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель –

канд.техн.наук, доцент

Д. Н. КЛАУЧ

Москва 2015 г.

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Состояние поверхностного слоя глубоких отверстий после различных

методов обработки и закрепления труб (Состояние вопроса)

6

1.1 Основные требования к глубоким отверстиям в деталях

теплообменных аппаратов АЭУ

6

1.2 Обработка глубоких отверстий 8

1.3 Методы закрепления труб в коллекторах и трубных досках 15

1.4 Качество поверхностного слоя глубоких отверстий 21

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 23

2 Методика проведения экспериментов 25

2.1 Оборудование и приборы 25

2.2 Инструмент 28

2.3 Обрабатываемые материалы 29

2.4 Смазочно-охлаждающие жидкости 29

2.5 Определение остаточных напряжений 30

2.6 Определение микротвердости 33

2.7 Измерение шероховатости 33

2.8 Исследование закрепления труб механическим вальцеванием

и гидрораздачей

34

2.9 Исследования усталостной прочности 36

2.10 Исследования повреждаемости в коррозионной среде 45

3 Исследование качества поверхностного слоя при обработке глубоких

отверстий

48

3.1 Качество поверхностного слоя при сверлении глубоких

отверстий

48

3.1.1 Сверление отверстий в стали 10ГН2МФА 48

3.1.2 Сверление отверстий в стали 09Г2С 52

3.1.3 Сверление отверстий в стали 10Х2М-ВД 55

3.1.4 Сверление отверстий в стали 22К 56

3

3.2 Качество поверхностного слоя при развертывании глубоких

отверстий

59

3.2.1 Развертывание отверстий в стали 10ГН2МФА 59

3.2.2 Развертывание отверстий в стали 10Х2М-ВД 68

3.3 Выводы 70

4 Исследование влияния методов запрессовки труб на качество

поверхностного слоя деталей трубного соединения

72

4.1 Исследование соединения труба - трубная доска полученного

методом механического вальцевания

72

4.2 Исследование соединения труба - трубная доска полученного

методом гидрораздачи

88

4.3 Выводы 99

5 Влияние технологической наследственности на качество

поверхностного слоя трубных соединений оборудования АЭУ

101

Выводы 107

6 Исследование влияния технологии обработки глубоких отверстий на

повреждаемость в коррозионной среде и предел выносливости

108

6.1 Влияние технологии обработки глубоких отверстий на

повреждаемость в коррозионной среде

108

6.2 Влияние технологии обработки глубоких отверстий на предел

выносливости

116

6.3 Выводы 121

7 Разработка и внедрение рекомендаций по обеспечению качества

поверхностного слоя глубоких отверстий в деталях трубных

соединений теплообменного оборудования АЭУ

123

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – Химический состав и механические свойства

материалов

142

4

ВВЕДЕНИЕ

Задача надежного обеспечения и повышения качества изготовления

теплообменного оборудования энергетических и атомных энергоустановок

(АЭУ) является весьма актуальной.

В состав теплообменного оборудования АЭУ входят детали с большим

количеством глубоких отверстий (L/D > 5), в т.ч. коллекторы и трубные

доски с диаметрами отверстий 9 – 25 мм, глубиной до 900 мм, в которые

запрессовываются трубки из коррозионностойкой стали.

Узлы крепления теплообменных труб труба – коллектор и труба –

трубная доска являются весьма ответственными. При изготовлении

указанных узлов одной из наиболее ответственных и трудоемких операций

является обработка глубоких отверстий.

Сложность обработки глубоких отверстий связана с затрудненным

подводом смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания и

отводом стружки, а также с большой глубиной сверления и низкой

жесткостью сверла.

Целью работы является исследование влияния технологии изготовления

и технологической наследственности на качество поверхностного слоя

соединений труба-коллектор, труба-трубная доска и разработка

рекомендаций по совершенствованию технологии их изготовления,

обеспечивающих повышение качества теплообменного оборудования АЭУ.

В диссертационной работе представлены результаты исследований

основных закономерностей влияния технологических факторов на качество

поверхностного слоя глубоких отверстий по технологической

последовательности операций их обработки и закрепления теплообменных

труб в коллекторах и трубных досках АЭУ.

5

Качество поверхностного слоя глубоких отверстий после операций

сверления, развертывания и закрепления теплообменных труб

оценивалось шероховатостью поверхности, деформационным

упрочнением, остаточными макронапряжениями и микроструктурой.

Выявлены закономерности формирования остаточных напряжений ,

а также влияние на них условий и режимов обработки и закрепления

труб.

Исследовано влияние режимов резания на шероховатость поверхности

отверстий при обработке различных материалов, из которых

изготавливаются коллекторы и трубные доски теплообменных аппаратов

АЭУ.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации

по технологическому обеспечению высокого качества поверхностного слоя

глубоких отверстий в узлах трубных соединений теплообменных аппаратов

АЭС. Разработан новый технологический процесс обработки глубоких

отверстий и закрепления труб, которые используются на ОАО

«Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и «Атоммаш».

Научно-исследовательские работы, результаты которых легли в основу

диссертации, выполнялись в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» и ОАО

«Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск».

6

1 Состояние поверхностного слоя глубоких отверстий после различных

методов обработки и закрепления труб (Состояние вопроса)

1.1 Основные требования к глубоким отверстиям в деталях теплообменных

аппаратов АЭУ

Теплообменное оборудование АЭУ типа ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-

600, БН-800 и других, получившее наибольшее распространение, включает в

себя парогенераторы, подогреватели высокого давления, подогреватели

низкого давления, подогреватели сетевой воды, сепараторы-

пароперегреватели.

Теплообменные аппараты АЭУ представляют собой сложные

устройства. В конструкции теплообменных аппаратов имеется ряд узлов,

которые в основном определяют их качество и эксплуатационные свойства.

Одним из наиболее ответственных узлов являются соединения «труба–

коллектор» и «труба–трубная доска», количество которых может доходить до

11 000 шт. (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Коллектор парогенератора энергоблока ВВЭР-1000

Одними из наиболее сложных технологических операций при

изготовлении деталей теплообменного оборудования являются обработка

глубоких отверстий и закрепление труб в трубных досках и коллекторах.

7

Для изготовления деталей теплообменного оборудования применяются

стали марок 10ГН2МФА, 08Х18Н10Т-ВД, 09Г2С, 22К-Ш, 10Х2М-ВД,

ХН35ВТ-ВД, 20Х1М1Ф1ТР.

Характеристики глубоких отверстий в трубных досках и коллекторах,

а также крепежных элементах теплообменного оборудования АЭС

приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Номенклатура деталей теплообменного оборудования,

материал, размеры и количество отверстий

Наименование деталей

Размеры отверстий

Материал

Кол-во

отверстий,

шт. Диаметр,

мм

Глубина,

мм

Коллектор

парогенератора ВВЭР-

1000, ВВЭР-1200

16,25+0,17

170 10ГН2МФА

08Х18Н10Т-ВД 10978

Трубная доска

подогревателя сетевой

воды реактора ВВЭР-

1000, ВВЭР-1200

16,25+0, 17

130 22К-Ш 2722-3030

Камера подогревателя

высокого давления

реактора ВВЭР-1000,

ВВЭР-1200

16,25+0,17

420 22К-Ш; 09Г2С 7454


подогревателя низкого

давления реактора

ВВЭР-1000, ВВЭР-1200

16,25+0,17

340 22К-Ш 7454

Камера модуля

испарителя,

пароперегревателя

парогенератора реактора

БН-600, БН-800

16,25+0,17

185 10Х2М-ВД

08Х18Н10Т-ВД 250-300


теплообменника Na-Na

реактора БН-600, БН-800

16,25+0,17

400 22К-Ш 250-300

Камера модуля

промпароперегревателя

парогенератора реактора

БН-600

25,2+0,13

135 08Х18Н10Т-ВД 250


теплообменника

реактора СВБР

9+0,18

300 20Х1М1Ф1ТР

08Х18Н10Т-ВД 9000

Крепежные элементы

теплообменных

аппаратов

12+0,18

до 860 ХН35ВТ-ВД 1

8

Допуски на диаметры отверстий составляют от 0,1 до 0,2 мм.

Шероховатость обработанной поверхности не должна превышать Ra 6,3 мкм.

Допуск на межосевое расстояние отверстий, в некоторых деталях,

достаточно жесткий – 0,1 мм. Толщина перемычки в коллекторе составляет:

- по наружному диаметру – 8,1 ± 0,2 мм;

- по внутреннему диаметру – 5,5 ± 0,4 мм.

Обработка глубоких отверстий и закрепления труб является одним из

наиболее сложных и ответственных операций техпроцессов изготовления

теплообменного оборудования.

1.2 Обработка глубоких отверстий

Высокие требования по точности размеров, положения отверстий, по

качеству поверхностного слоя, а также их значительная глубина (до 70D)

обуславливают применение специального инструмента для обработки

глубоких отверстий (свёрла ружейного типа и инструмент с внутренним

отводом стружки типа ВТА, а в ряде случаев многопроходной обработки с

применением развёрток).

Сверление глубоких отверстий является весьма сложной, трудоемкой и

ответственной операцией, требующей применения специального

оборудования и инструмента.

В сложившейся практике сверление глубоких отверстий в деталях

теплообменного оборудования проводится на горизонтальных станках

моделей типа «ТВТ 2BW500-3-1000», «KOLBHTBIIIWE», 2810П, 2805П, а

также на вертикально-сверлильных станках типа ОВС 8.3.3960.

Исследованию процесса глубокого сверления посвящено большое

количество публикаций таких авторов как: Уткин Н.Ф., Кирсанов С.В.,

Минков М.А., Серебреницкий П.П., Кожевников Д.В., Терехов В.М., Захаров

9

Н.В. Шашков В.П., Масарновский В.И., Овсеенко А.Н., Клауч Д.Н., Кущева

М.Е., Могутов И.В., Диннебер Ю. и другие [1 – 8, 11, 13, 14, 16 – 18, 23, 26,

28 – 32, 83 – 87, 99 – 101 и др.].

В ряде работ [4, 16, 53 – 55] выполнены исследования по обработке

отверстий в труднообрабатываемых материалах сверлами специальной

конструкции. В работах [6, 7] проведены исследования процессов глубокого

сверления и растачивания отверстий в изделиях тяжелого машиностроения.

Выполнен анализ точности обработки при сверлении сверлами

одностороннего резания и исследования процесса сверления глубоких

отверстий малого диаметра (Ø3 – Ø6 мм, глубиной до 30d), определены

оптимальные режимы обработки глубоких отверстий.

Исследованиям процесса обработки глубоких отверстий, определению

остаточных напряжений в поверхностном слое и испытаниям смазочно-

охлаждающих жидкостей (СОЖ) посвящены работы [2 – 6, 8, 16, 17, 37, 56 –

80], на основании которых были разработаны технологические процессы

изготовления и контроля ответственных деталей теплообменного

оборудования АЭУ.

При обработке глубоких отверстий возникают значительные трудности.

Сложность обработки глубоких отверстий обуславливается следующими

факторами:

- необходимость гарантированного удаления стружки из зоны резания;

- обеспечение высоких требований по точности обработки отверстий

(увод оси, разбивка и др.);

- обеспечение качества поверхностного слоя отверстий (формирование

остаточных напряжений сжатия, выполнение требований по шероховатости и

микротвердости).

В настоящее время используются различные методы и инструменты

для обработки глубоких отверстий. Существуют 3 основные группы сверл.

10

Для обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратов

АЭУ применяется, в основном, инструмент диаметром от 9 до 30 мм, в

частности.

В первую группу входят спиральные и шнековые сверла, при работе

которыми стружка удаляется по винтовой поверхности сверла.

Во вторую группу входят сверла ружейного типа с внутренним

подводом СОЖ и наружным отводом стружки.

В третью группу входят сверла типа ВТА с наружным подводом СОЖ

и внутренним отводом стружки.

Первоначально при обработке глубоких отверстий в деталях

теплообменных аппаратов АЭУ применялись спиральные сверла. Обработка

велась на специальных многошпиндельных станках и на радиально-

сверлильных станках.

Технология обработки глубоких отверстий спиральными сверлами

является трудоемкой и имеет ряд технологических трудностей. Из-за

затрудненного отвода стружки приходится осуществлять периодические

выводы сверла и очищать инструмент и отверстие от стружки. Из-за малой

жесткости длинных сверл под действием сил резания возникает их

продольный изгиб, что может привести к искривлению оси отверстия [1].

Разработаны сверла с внутренними каналами для подачи смазочно-

охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания (рисунок 1.2 [37]).

Рисунок 1.2 – Сверло спиральное с внутренними каналами для подвода СОЖ

Сверла шнекового типа имеют большой угол наклона винтовой канавки

(w = 60° – 65°), узкие ленточки и увеличенный вдвое по сравнению со

11

стандартной толщиной сердцевины [14, 15]. Эти сверла позволяют

обрабатывать глубокие отверстия в деталях из чугуна и конструкционных

сталей без периодических выводов инструмента из отверстия для удаления

стружки. Однако использование шнековых сверл при сверлении глубоких

отверстий вызывает затруднение из-за недостаточной жесткости инструмента

[16].

У спиральных и шнековых сверл отвод стружки осуществляется по

наружным каналам сверла, при этом происходит контакт стружки с

поверхностью просверленного отверстия и ухудшение его шероховатости. В

процессе сверления может произойти попадание стружки между стенкой

отверстия и сверлом, что, в свою очередь, приводит к заклиниванию

инструмента или к его поломке. Из-за отсутствия у сверл спирального типа

дополнительных базирующих поверхностей возрастает вероятность

значительного увода оси отверстия от его номинального значения.

В АО «НПО «ЦНИИТМАШ» были проведены исследования обработки

глубоких отверстий на специальных станках ЛР, которые показали, что

обработка спиральными сверлами не обеспечивает требуемой точности, в

частности по уводу осей отверстий.

В технологии обработки глубоких отверстий широко применяются так

называемые, ружейные сверла, которые были разработаны в конце XIX века,

а за их основу были взяты пушечные сверла [17].

Основной принцип работы ружейного сверла заключается в том, что

подвод СОЖ в зону резания осуществляется по внутреннему каналу сверла, а

отвод стружки происходит по наружному V-образному каналу (рисунок 1.3

[37]).

12

1 – режущая часть 2 – стебель 3 - хвостовик

Рисунок 1.3 – Сверло ружейного типа [37]

В работах [1, 5 – 9, 12, 18 – 26] приведен анализ конструкций ружейных

сверл. Основным элементом сверл является стебель с V-образным пазом с

углом профиля 120°, который имеет внутреннее отверстие для подвода СОЖ.

Режущая часть инструмента может быть выполнена как из цельного

твёрдосплавного наконечника, который припаивается к стеблю, так и в виде

стального колоска с припаянными режущей и опорными пластинами.

Существуют конструкции сверл, где режущие и направляющие пластины

закреплены пайкой непосредственно на стебле сверла [1, 27].

В трудах Уткина Н.Ф. [6], Троицкого Н.Д. [5], Кирсанова С.В. [1] и др.

приведены основные требования к сверлам ружейного типа, изложены

преимущества и недостатки, показан расчет сил резания, а так же основные

геометрические параметры режущей части инструмента [1, 5, 6, 7, 9, 22, 28, 29].

Точностные характеристики отверстий после обработки ружейными

сверлами следующие:

- увод оси отверстия не более 0,01 – 0,03 мм на 100 мм;

- шероховатость поверхности не более Ra2,5 мкм [31].

13

Однако исследования показали, что при образовании сливной стружки

затрудняется ее отвод из зоны резания. Возможно попадание элементов стружки

под опорные пластины. Вследствие этого происходит ухудшение качества

поверхностного слоя отверстия, появляются надиры и риски [27, 30].

При использовании сверл типа ВТА (рисунок 1.4 [37]) подвод СОЖ

осуществляется в зазор между корпусом головки сверла и стенкой

просверленного отверстия, а стружка отводится через внутренний канал в

корпусе и далее через отверстие в стебле, на котором крепится режущая

головка.

Данная конструкция сверла подробно рассмотрена в работах

Кирсанова С.В [1], Уткина Н.Ф. [4] и др.

а – однокромочное сверло с напайной Т-образной твердосплавной пластиной;

б – однокромочная напайная головка; в – однокромочная головка с

механическим креплением режущих и направляющих пластин;

г – многокромочная напайная головка ВТА; д – многокромочная головка с

механическим креплением режущих и направляющих пластин

Рисунок 1.4 – Сверла и головки для глубокого сверления типа ВТА [37]

14

Применяемый диапазон диаметров обрабатываемых отверстий сверлами

ВТА составляет от Ø6 мм до Ø160 мм и более, при этом глубина обработки

может составлять более 100D с точностью диаметральных размеров IT7 –

IT9. При сверлении сверлами типа ВТА увод оси отверстия составляет

0,01 – 0,03 мм на 100 мм длины. Шероховатость отверстий после сверления

составляет, примерно, Ra 0,3 – 0,8 мкм [1, 4, 32].

Конструкция сверла типа ВТА такова, что в процессе резания

образовавшаяся стружка отводится через отверстие в корпусе, гарантировано

предотвращается ее контакт с поверхностью отверстия, исключается

попадание под опорные пластины сверла.

Сверла ВТА могут быть как одностороннего резания, так и

двухстороннего. В конструкции сверла с двумя режущими пластинами

распределение сил резания более равномерное, но при этом снижается

проходное сечение канала для удаления стружки, что может неблагоприятно

повлиять на ее удаление из зоны резания и привести к пакетированию в

головке.

Сверло ВТА состоит из корпуса, на котором крепятся режущая и

опорные пластины. Они могут быть напайными или с механическим

креплением. Опорные пластины выполняют роль направляющих и

производят центрирование инструмента по оси отверстия, минимизируя его

уводы и биение. Режущая головка крепится на стебле, который представляет

собой трубу с относительно толстой стенкой. Стебель выполняет роль

оправки инструмента, которая имеет значительную жесткость в отличие от

сверл ружейного типа, что позволяет увеличить величину подачи при

обработке.

В настоящее время существует множество инструментальных фирм,

которые выпускают сверла для глубокого сверления типа ВТА [20, 21, 33, 34,

35].

15

Использование сверлильных головок ВТА с механическим креплением

пластин позволяет проводить замену пластин по мере их изнашивания, что

продлевает срок эксплуатации инструмента вцелом. Появляется возможность

применения твердосплавных пластин различных марок и с износостойкими

покрытиями [36].

Одной из финишных операций обработки глубоких отверстий является

операция развертывания, которая обеспечивает точность 6 – 8 квалитета.

Глубина резания при развертывании составляет от 0,1 до 0,5 мм в

зависимости от диаметра отверстия и свойств обрабатываемого материла.

1.3 Методы закрепления труб в коллекторах и трубных досках

Соединение труб с коллектором (трубной доской) должно быть

плотным, прочным и надежным. Это обеспечивается за счет раздачи конца

трубы в диаметральном направлении (рисунок 1.5) [38].

а) до раздачи б) после раздачи

Рисунок 1.5 – Схемы закрепления трубы в трубной решетке

Основы процесса формирования вальцовочного соединения достаточно

подробно представлены в работах Юзика С.И. [40], Терехова В. М.[27],

16

Белоусова В.П., Кондратенко Л.А., Мазуровского Б.Я., Степанова В.Г.,

Шаврова И.А. [38], Кравец М.П., Санькова Н.И., Парахина В.К. [41] и др.

Существуют различные способы закрепления труб в деталях

теплообменного оборудования. При производстве ответственных

теплообменных аппаратов АЭУ применяют следующие основные методы:

- метод роликового вальцевания;

- метод раздачи жидкостью высокого давления (гидровальцевание);

- метод запрессовки труб путем импульсной раздачи (взрывом).

Наиболее распространенным механическим методом закрепления труб

является закрепление роликовыми вальцовками (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Роликовая вальцовка

При использовании этого метода раздача трубы проводится путем

обкатывания роликом по ее внутренней поверхности. Инструмент

представляет собой закрепленный на упорном подшипнике корпус, в

котором имеется сепаратор, в прорезях которого размещены конические

ролики, оси которых перекрещиваются под небольшим углом с его осью.

Внутри сепаратора имеется веретено в виде усеченного конуса, которое в

процессе работы вращается и одновременно совершает осевое перемещение,

обеспечивая вращение и радиальное перемещение роликов. Привод веретена

может быть различным, но наибольшее распространение получили пневмо и

электроприводы.

Достоинством роликовых вальцовок является то, что в процессе

вальцевания не требуется больших усилий.

17

В настоящее время роликовые вальцовки используются в комбинации с

другими способами закрепления, поскольку ни гидровальцевание, ни взрыв

не обеспечивают качественного прилегания трубы к поверхности отверстия

на участках, прилегающих к торцевым поверхностям трубных досок и

коллекторов.

Роликовое вальцевание часто применяют для предварительного

закрепления участков труб на входе и окончательного на выходе узла

крепления труб, но в некоторых случаях осуществляют роликовое

вальцевание на всей толщине доски.

Гидровальцевание – это метод закрепления теплообменных труб путем

их пластического деформирования жидкостью высокого давления.

Схема этого метода закрепления труб в теплообменных аппаратах

приведена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Схема закрепления труб при помощи жидкости высокого

давления

При гидровальцевании используется зонд (4), на котором установлены

два уплотнителя (3). Зонд устанавливается в трубе (1), а его длина и диаметр

подбираются в соответствии с толщиной трубной доски (2), и внутреннего

диаметра трубы. Жидкость под высоким давлением подается в осевое

отверстие зонда и через радиальные каналы попадает в зазор между зондом и

трубой.

18

Зонды могут иметь различные виды уплотнений. В качестве уплотнений

используются резиновые кольца с твердостью по Шору 90. На рисунке 1.8

показан один из типовых зондов для закрепления труб диаметром 16 мм.

Рисунок 1.8 – Зонд для гидровальцевания

В настоящее время в узлах АЭУ широко применяется гидровальцевание

труб диаметром 16 х 1 – 16 х 2 мм.

Преимущество этого метода заключается в том, что достаточно точно

можно регулировать давление жидкости, тем самым обеспечивается

стабильность процесса.

Недостатком метода является сравнительно низкая производительность

процесса, малая стойкость уплотнений, необходимость селективного подбора

зондов, недостаточно плотное прижатие трубы к стенке отверстия, большие

усилия по вводу зонда в трубу.

В промышленности также применяются методы, основанные на

импульсном деформировании труб взрывом.

Взрыв может быть осуществлен различными способами [41 – 43]:

- бризантными взрывчатыми веществами (БВВ);

- с помощью пороха;

- электрическим взрывом проводника (ЭВП);

- импульсным магнитным полем.

Бризантные взрывчатые вещества являются основными

энергоносителями в процессе закрепления труб взрывом. При малом

удельном объеме они позволяют получать большую концентрацию энергии.

19

Применение пороха ограниченно из-за его большого удельного объема.

В основе процесса закрепления труб в трубной решетке с помощью БВВ

лежит преобразование энергии ударной волны в энергию деформации труб.

Существуют различные схемы процесса закрепления труб в трубных

досках при помощи взрывчатых веществ (ВВ) (рисунок 1.9).

а) б)

в) г)

1 – труба; 2 – трубная доска; 3 – корпус патрона; 4 – детонирующий шнур;

5 – наполнитель.

а – патрон с индивидуальным электродетонатором;

б – патрон с детонирующим шнуром и насыпным ВВ;

в – патрон с уменьшенным диаметром втулки;

г – патрон с водой в качестве наполнителя;

Рисунок 1.9 – Схемы закрепления труб в глубоких отверстиях

В предварительно закрепленную трубу 1 в трубной решетке 2

устанавливают патрон 3. Взрывные патроны могут иметь различную

конструкцию, в основном они состоят из втулки, в которой устанавливается

20

заряд. Материал втулки служит одновременно средой, передающей давление

ударной волны на стенку трубы. В качестве заряда используют

детонирующие шнуры, насыпные, пластичные и эластичные ВВ. В

отечественных технологиях, в основном, используются детонирующие

шнуры. На энергию взрыва существенное влияние оказывает материал

передающей среды. Для закрепления толстостенных труб из прочных

материалов в качестве среды используют воду, желатин, полиэтилен, резину.

Для закрепления тонкостенных труб из материалов с низкими

механическими свойствами (медь, латунь, и т.п.) в качестве передающей

среды применяют воздух, пенопласт и дерево.

При закреплении труб малого диаметра применяют мощные ВВ с

высокими скоростями детонации.

Запрессовка труб в трубных досках теплообменников низкого и

среднего давления осуществляется с помощью патронов с полиэтиленовой

втулкой. Для запрессовки труб в детали с повышенными требованиями по

герметичности применяют патроны с индивидуальным электродетонатором,

в качестве заряда используют любые ВВ со строгой их дозировкой.

Запрессовка с помощью ВВ весьма производительна. Одновременно

возможно закреплять 400 и более труб. Однако в процессе взрыва возникает

динамическое (ударное) воздействие на металл трубы и доски, которое

может привести к возникновению трещин, возникает повышенный уровень

шума и взрывоопасность. Требуются значительные затраты времени на

подготовительно-заключительные операции.

Кроме того, для проведения данной операции необходима специальная

камера или полигон, так как в состав ВВ входят высокотоксичные и опасные

химические соединения.

21

1.4 Качество поверхностного слоя глубоких отверстий

Качество поверхностного слоя глубоких отверстий в основном зависит

от технологии их изготовления. Большинство деталей теплообменной

аппаратуры работают в коррозионных средах и при повышенных

температурах. От качества поверхностного слоя деталей зависят такие

характеристики, как усталостная и коррозионно-усталостная прочность,

коррозионное растрескивание под напряжением и долговечность изделий.

В трудах Рябченкова А.В., Герасимова В.В., Гутмана Э.М., Шварца

Г.Л., Эванса Ю.Р. и др. представлены результаты исследования

коррозионного растрескивания конструкционных сталей [44 – 46, 50 – 52].

Известно, что технология изготовления в основном определяет такие

параметры качества, как шероховатость поверхности, степень и глубину

наклепа, остаточные напряжения и другие. Все это приводит к

значительному изменению коррозионной стойкости стали. Пластическая

деформация поверхностного слоя протекает в различно ориентированных

зернах структурных составляющих металла с разной интенсивностью. Так,

например, ферритные зерна деформируются интенсивнее перлитных. Это

вызывает изменение их электродного потенциала: ферритные зерна

становятся анодными, перлитные зерна – катодными. Пластическая

деформация приводит к микро-неоднородности поликристаллического

металла, в результате чего возникает большое количество коррозионных

микроэлементов[27].

В работах Терехова В.М [27] и Могутова И.В. [83] разработаны

технологические основы обеспечения высокопроизводительной обработки

глубоких отверстий в коллекторах и трубных решетках теплообменных

аппаратов АЭУ с соблюдением требований по точности и характеристикам

поверхностного слоя. Выявлены допустимые диапазоны подач и скоростей

резания, разработаны требования к геометрическим параметрам сверл и

22

разверток, установлены допустимые величины износа режущего

инструмента. Проведены исследования влияния различных конструкций

режущего инструмента и режимов на качество поверхностного слоя,

построены эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое глубоких

отверстий. Показано влияние режимов резания на шероховатость

поверхности глубоких отверстий.

Из анализа опубликованных работ видно, что не проводились

исследования влияния технологической наследственности на качество

поверхностного слоя глубоких отверстий после операций механической

обработки и закрепления труб.

При производстве теплообменной аппаратуры АЭУ техническими

условиями установлены определенные требования по шероховатости

поверхности глубоких отверстий. Она не должна превышать Ra 6,3 мкм.

После сверления глубоких отверстий на обработанной поверхности могут

возникать глубокие риски и большие микронеровности профиля, которые

влияют на сопротивление усталости стали [47, 48,49].

В работах [50, 51]установлено влияние наклепа на усталостную

прочность сталей. В условиях циклической нагрузки при рациональной

степени и глубине наклепанного слоя выносливость деталей увеличивается

по сравнению с не наклепанными деталями.

Однако, как показали исследования [51], в коррозионных средах

наклеп усиливает роль коррозионного фактора и может приводить к

снижению предела коррозионной выносливости стали.

При упрочнении поверхностным пластическим деформированием

металла (ППД) в поверхностном слое образуются остаточные напряжения

сжатия, которые повышают эксплуатационные свойства деталей,

работающих в агрессивных средах.

23

1.5 Выводы

Анализ работ в области обработки глубоких отверстий и закрепления труб в

трубных досках и коллекторах позволяет сделать следующие выводы:

1. Обработка глубоких отверстий спиральными сверлами обладает рядом

недостатков:

- значительные величины уводов осей отверстий;

- не обеспечивается требуемая шероховатость поверхности;

- возможно образование рисок и надиров на образующей поверхности.

2. Применительно к производству теплообменного оборудования, наиболее

рациональным является обработка сверлами с внутренним отводом стружки (типа

ВТА) и ружейными сверлами с гарантированным подводом СОЖ в зону резания.

3. Анализ методов закрепления труб показывает, что наиболее рациональным

является закрепление труб при помощи гидрораздачи совместно с механическим

вальцеванием определенных участков трубы, однако отсутствуют данные о

влиянии технологии закрепления труб на качество поверхностного слоя глубоких

отверстий и теплообменных труб.

4. Не исследованы вопросы влияния технологической наследственности при

выполнении различных операций по обработке глубоких отверстий и

закреплению труб на качество трубного соединения по всему циклу изготовления.

В связи с изложенным целью работы является исследование влияния

технологии изготовления и технологической наследственности на качество

поверхностного слоя соединений труба-коллектор, труба-трубная доска и

разработка рекомендаций по совершенствованию технологии их

изготовления, обеспечивающих повышение качества теплообменного

оборудования АЭУ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

24

1 Исследовать и установить закономерности влияния технологии обработки

глубоких отверстий в коллекторах и трубных досках на качество

поверхностного слоя отверстий и основные эксплуатационные

характеристики элементов теплообменного оборудования.

2 Исследовать влияние технологии закрепления труб методом гидрораздачи

и механического вальцевания на качество поверхностного слоя деталей

трубных соединений.

3 Исследовать влияние технологической наследственности на качество

поверхностного слоя трубных соединений по всему циклу их

изготовления.

Решение указанных задач позволяет установить влияние как отдельных

операций, так и комплексное влияние с учетом технологической

наследственности на качество поверхностного слоя трубных соединений.

В целом, после выполнения вышеизложенных задач можно будет

проследить и выявить как влияние каждой операции, так и их сумму на

качество поверхностного слоя глубоких отверстий и теплообменных труб в

ответственных деталях АЭУ.

25

2 Методика проведения экспериментов

2.1 Оборудование и приборы

Обработка глубоких отверстий производилась на станках с ЧПУ для

глубокого сверления модели 2ВW500-3-1000 фирмы «ТВТ» и модели «НТВ-

IIIWE» фирмы «KOLB» (рисунок 2.1) в условиях ОАО

«Машиностроительный завод «ЗиО - Подольск». Контрольные опыты

выполнены на установке для глубокого сверления АО «НПО

«ЦНИИТМАШ».

Определение остаточных напряжений проводились на установке АО

«НПО «ЦНИИТМАШ» с лазерным измерителем перемещений и

компьютерной обработкой результатов (рисунок 2.2).

Шероховатость обработанной поверхности измерялась прибором

профилографом – профилометром TR200 «TimeGroupInc», обеспечивающим

определение 10 параметров шероховатости и построение профилограммы

поверхности.

Деформационное упрочнение оценивается путем измерения

микротвердости на приборе ПМТ-3.

Рисунок 2.1 – Станок модели «НТВ-IIIWE» фирмы «KOLB»

26

Рисунок 2.2 – Установка ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» для измерения

остаточных напряжений

Исследования повреждаемости в коррозионной среде проводились с

использованием специальной установки.

Оценка циклической прочности производилась на испытательной

электрогидравлической машине РО 0458 фирмы «Шенк».

Эксперименты по развальцовке проводились на созданном в ОАО НПО

«ЦНИИТМАШ» специальном стенде на базе токарного станка 16К20. Стенд

оснащен узлами крепления трубы и втулки, каретки для подачи рабочего

инструмента, узлом измерения крутящего момента инструмента и датчиками

измерения скорости вращения веретена и обоймы, а так же лазерным

измерителем величины подачи рабочего инструмента и компьютером для

обработки данных (рисунок 2.3).

Экспериментальные исследования процесса закрепления

теплообменных труб в трубных решетках и коллекторах гидрораздачей

проводились на установке HYTEX-4000 фирмы “BALCKEDÜRR” .

27

Ри

сун

ок 2

.3–

Сте

нд

для и

сслед

ован

ия п

роц

есса

вал

ьцев

ани

я

28

2.2 Инструмент

Для обработки глубоких отверстий в деталях теплообменной

аппаратуры использовался инструмент различного типа и назначения:

- сверла тапа ВТА с внутренним отводом стружки и наружным подводом

СОЖ;

- развертки различных типов и конструкций (рисунок 2.4 а; рисунок 2.4 б).

а – развертки цельные из быстрорежущей стали

б – развертка с напайными твердосплавными пластинами и цельная

твердосплавная

Рисунок 2.4 – Развертки для обработки глубоких отверстий

Для закрепления теплообменных труб механическим способом

применялись роликовые вальцовки различных типов. Одна из таких

вальцовок представлена на рисунке 2.5.

29

Рисунок 2.5 – Роликовая вальцовка

На операциях гидрораздачи использовались специальные зонды с

уплотнителями. Диаметральный размер зонда подбирался индивидуально к

каждому отверстию. Операция гидрораздачи проходит в два этапа:

1 – гидрораздача при давлении 250 МПа;

2 – гидрораздача при давлении 350 МПа.

На рисунке 2.6 показан типовой зонд для гидрораздачи труб.

Рисунок 2.6 – Зонд для гидрораздачи

2.3 Обрабатываемые материалы

Эксперименты проводились на образцах из различных марок сталей,

используемых для изготовления деталей теплообменного оборудования –

10ГН2МФА-Ш, 09Г2С-А, 10Х2М-ВД, 22К, 08Х18Н10Т, 07Х12НМФБ.

Химический состав и механические свойства материалов приведены в

приложении 1.

2.4 Смазочно-охлаждающие жидкости

В качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) использовалась

жидкость на масляной основе МРЗ-К, которая не содержит соединений

хлора, а содержание серы не менее 2%.

30

Жидкость подавалась в зону резания под давлением P = 6 МПа. Расход

жидкости Q составил 60 – 70 л/мин. [91]

2.5 Определение остаточных напряжений

Определение остаточных напряжений в поверхностном слое отверстий

осуществлялось по методу Н.Н. Давиденкова – И.А. Биргера (механическим

путем) на установке АО «НПО «ЦНИИТМАШ». На рисунке 2.7 приведена

схема установки для исследования остаточных напряжений в кольцевых

образцах. Удаление поверхностного слоя с остаточными напряжениями

проводилось электрохимическим способом. В качестве электролита

использовался 70% водный раствор ортофосфорной кислоты.

Регистрация перемещений флажка проводилась с помощью лазерного

измерителя.

1 – ванна; 2 – крепежная плита; 3 – электролит; 4 – крепление катода; 5 –

катод; 6 – крепление анода; 7 – анод(кольцевой образец); 8 – рычаг; 9 –

плоский отражающий флажок; 10 – лазерный измеритель перемещения; 11 –

пульт управления лазерным измерителем; 12 – компьютер; 13 –

лабораторный выпрямитель тока.

Рисунок 2.7 – Схема установки для определения остаточных напряжений в

кольцевых образцах

31

Показатели измерителя индицируются на блоке управления и

передаются на монитор компьютера. По ним в автоматическом режиме

строится график перемещения флажка в реальном времени. После

завершения травления полученные данные обрабатываются при помощи

разработанной программы. Производится расчет остаточных напряжений и

построение эпюр распределения остаточных напряжений по глубине

поверхностного слоя отверстия.

Исходные остаточные напряжения (до вырезки образцов) – ( )х ,

после вырезки кольцевого образца изменяются на величинуB

, а после его

разрезки дополнительно изменяются на величину ( )P x . Таким образом, в

поверхностном слое отверстия исходные остаточные напряжения могут быть

определены алгебраическим суммированием перечисленных выше

напряжений:

0( ) ( ) ( )В Pх х х

(1)

где

0

2 2

0

( ) ( )( ) ( ) 2 ( )(2 ) 2 ( )

3( ) ( )

x

p p p

E x df x x dх x f x f

D x dx D x D

(2)

0

В BDE

D

; 2

( ) ( 2 )P P

B

Dх E x

D

(3)

0 ( )х – остаточные напряжения в удаленном (стравленном) поверхностном

слое образца;

0D – средний диаметр кольца до вырезки из детали;

BD – средний диаметр кольца после вырезки из детали;

PD – средний диаметр кольца после разрезки;

0B BD D D ; P P BD D D (4)

или

32

0

0

0,5 0,5sin

;

y

p

Dp

lDp

l L l

y – угол сектора, который вырезается из кольцевого образца;

0 2 y ;

0l – расстояние между рисками вырезаемого сектора до разрезки кольца;

pL – расстояние между рисками вырезаемого сектора после разрезки кольца;

l – разность расстояний между рисками до и после разрезки кольца;

i – исходная толщина кольца (до травления);

f(x) – изменение среднего диаметра кольца Dp после удаления слоя х;

при увеличении PD , f (x) имеет знак (+), при уменьшении – знак (-).

( )f – функция изменения среднего диаметра кольца PD по текущей

координате ;

( )df x

dx– первая производная функции f (x);

Е-модуль упругости материала кольца (2,1•105 МПа).

Знак (+) в формулах (2) и (3) берется при расчете напряжений в

поверхностном слое отверстия, знак (-) при расчете остаточных напряжений

в наружном поверхностном слое кольца. При этом значения0 ( )х ,

В

,

33

( )P х рассчитываются с учетом знаковf (x), BD , PD , полученных при их

определении по формулам (4) [94].

2.6 Определение микротвердости

Для измерения деформационного упрочнения изготавливались образцы

с косым шлифом под углом 1,5° – 2° к образующей отверстия, что позволяло

увеличить длину участка измерения, соответствующего глубине

наклепанного слоя, до 20 раз. Подготовка шлифов проводилась по

специальной методике, практически исключающей завалы на краях шлифов,

дополнительные пластические деформации и другие заметные искажения

состояния их поверхностного слоя.

Степень наклепа рассчитывается по формуле:

0

0

*100H

HV HVU

HV

, (%),

где

HV0 – микротвердость основного материала;

HV – микротвердость материала наклепанного слоя.

2.7 Измерение шероховатости

Измерение шероховатости поверхности отверстий проводилось при

помощи прибора профилографа – профилометра TR200. Определялись

среднеарифметические отклонения профиля Ra и снимались профилограммы

обработанных поверхностей.

34

2.8 Исследование закрепления труб механическим вальцеванием и

гидрораздачей

Исследования процесса вальцевания и качества закрепления

теплообменных труб в трубных досках проводились на образцах,

моделирующих соединения «труба - трубная доска». Эксперименты

проводились на специальном стенде АО «НПО «ЦНИИТМАШ».

Измерялись следующие параметры процесса вальцевания:

- крутящий момент вращения рабочего веретена, Нм;

- количество оборотов рабочего веретена, об;

- количество оборотов обоймы с роликами, об;

- перемещение веретена в рабочую зону, мм.

Перед вальцеванием проводились замеры следующих параметров:

длины образца трубы, наружный и внутренний диаметр трубы, диаметр

отверстия ложемента.

После вальцевания проводился: внешний осмотр образцов (отсутствие

отслоения, шелушения, микротрещин и др.); определение удлинения трубы;

определение силы выпрессовки; измерение геометрических размеров

ложемента (диаметра отверстия после вальцевания); определение остаточных

напряжений в поверхностном слое отверстия ложемента (выборочно);

определение остаточных напряжений в поверхностном слое наружной и

внутренней поверхности трубы (выборочно).

Исследования процесса вальцевания проводились при различных

скоростях вращения и моментах веретена.

В работе исследовались соединения «труба - трубная доска»,

полученные различными методами:

- механическим вальцеванием;

- гидрораздачей;

35

Эксперименты по вальцеванию проводились на образцах ложементов

(втулках) Ø40 мм и длиной от 60 мм до 200 мм с отверстием для закрепления

труб Ø16,25+0,17

мм и трубами Ø16 х (1,5; 2; 2,5; 3) мм и длиной от 70мм до

350 мм. Определялись исходные свойства металла труб (ГОСТ 1497-84) на

специальных образцах (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Образец для испытаний на растяжение

Наибольшая сила, предшествующая разрушению образца, принималась

за силу Pmax, соответствующую пределу прочности.

Определялись также:

- предел текучести (физический);

- предел текучести (условный);

- относительное удлинение.

Испытания на раздачу проводились в соответствии с ГОСТ 8694-75 на

образцах, приведенных на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Образец для испытаний на раздачу

36

Для проведения испытаний использовались конусные пуансоны

(рисунок 2.10). Раздача проводилась в несколько переходов вплоть до

появления трещин или надрывов.

Величина раздачи в процентах вычислялась по формуле

где D1 – наружный диаметр трубы после вальцевания, мм;

D2 – наружный диаметр перед вальцеванием, мм.

Рисунок 2.10 – Конусный пуансон

2.9 Исследования усталостной прочности

Исследования циклической прочности выполнялись с учетом

особенностей технологии изготовления коллектора и нагруженности

материала в процессе эксплуатации.

Модельный образец для исследований повреждаемости материала

коллектора в зонах перфорации имел отверстия, выполненные по различным

технологическим вариантам и обеспечивал возможность проведения

испытаний при фиксированных амплитудах циклической

упругопластической деформации металла зон концентрации напряжений.

37

Общий вид заготовки для изготовления образцов приведен на рисунке

2.11.

Образец для испытаний с размерами 93×70×25 мм имел ряд отверстий

и надрез, превращающий образец в 2-х консольную балку (рисунок 2.12).

Рабочая часть образца содержит 2 отверстия Ø16,25 мм, между которыми

располагается перемычка.

Рисунок 2.11 – Заготовка для изготовления образцов

38

Рисунок 2.12 – Образец для испытаний на циклическую прочность

Схема проведения эксперимента приведена на рисунке 2.13.

39

1 – образец; 2 – пружины тарельчатые; 3, 4 – планки ограничительные;

5 – перемычка; 6 – вставка ограничительная; 7 – втулка ограничительная;

8 – тензорезистор; 9 – экстензометр.

Рисунок 2.13 – Схема нагружения образца при испытаниях на циклическую

прочность

При испытаниях нагружение образца осуществлялось по схеме

внецентренного растяжения-сжатия. Принятая схема нагружения и

геометрические размеры образца позволяют проводить исследования при

больших толщинах перемычки (сечение перемычки составляет, примерно,

9×25 мм), моделировать при этом напряженно-деформированное состояние в

зоне перфорации коллектора и использовать относительно маломощное

испытательное оборудование.

При испытаниях в соответствии со схемой проведения эксперимента,

образец 1 помещается в специальное приспособление и с помощью набора

тарельчатых пружин 2, ограничительных планок 3, 4 и стяжек сжимается с

некоторым усилием. При этом деформация поверхностных слоев металла в

40

перемычке 5, определяется зазором между ограничительной вставкой 6 и

отверстием образца 1. Использование вставок разного диаметра позволяет

получать разную степень деформации металла перемычки.

В процессе испытаний образец нагружается через пальцы и тяги

растягивающим пульсирующим усилием. Деформация образца при

нагружении задается величиной зазора между втулкой 7 и планкой

приспособления 3. Такая схема испытаний позволяет проводить

эксперименты при заданной амплитуде упругопластических деформаций и

требуемой асимметрии цикла.

Определение циклической прочности выполнялось на воздухе при

частоте нагружения f = 0,5 – 10 Гц. Регистрация момента появления трещин

при испытаниях на воздухе осуществлялась визуально и по характеру

изменения диаграммы деформирования образца.

В зонах перфорации коллектора металл работает преимущественно в

жестком режиме нагружения с заданной амплитудой деформаций.

Асимметрию цикла местных деформаций в этих зонах можно

приблизительно оценить величиной Re ≈ –1. Методика оценки влияния

технологических факторов на коррозионно-усталостную прочность металла

предусматривает использование специальных образцов и оснастки

(см. рисунки 2.11 – 2.13).

Рабочая часть образца (см. рисунок 2.12) содержит 2 отверстия Ø16,3

мм, обработанных по одному из технологических режимов (таблица 2.1).

Между отверстиями располагается перемычка. Отверстия Ø16,3 мм в

образцах 1 – 6 технологических вариантов обрабатывались в темплетах

толщиной 170 мм, вырезанных из заготовки обечайки коллектора. После

обработки отверстий Ø16,3 мм на требуемых режимах темплеты разрезали на

отдельные заготовки и изготавливали образцы.

41

Таблица 2.1 – Технологические варианты обработки глубоких отверстий в

образцах

Технологический вариант

Режимы резания

Сверление Развертывание

Скорость

резания

V, м/мин

Подача

Sо, мм/об

Скорость

резания

V, м/мин

Подача

инструмента

Sо, мм/об

1 100 0,03 18 0,3 – 0,35

2 100 0,03 8 0,3 – 0,35

4 100 0,03 77 0,3 – 0,35

5 100 0,03 8 0,3 – 0,35

6 6,2 0,05 7,2

7,2

0,15

0,15

Испытания образцов проводили по схеме внецентренного растяжения–

сжатия, при фиксированных значениях деформаций материала перемычки

(см. рисунки 2.13). Перед испытаниями образец 1 помещали в специальное

приспособление и с помощью тарельчатых пружин 2, ограничительных

планок 3, 4 и стяжек сжимали усилием Р2, выбирая зазор между

ограничительной вставкой 6 и отверстием образца 1. Затем устанавливали

образец в захваты испытательной стойки и нагружали растягивающим

пульсирующим усилием Р1 (см. рисунок 2.13).

Деформация образца в полуцикле сжатия определяется величиной

зазора между ограничительной вставкой 6 и отверстием образца 1, в

полуцикле растяжения – зазором между втулкой 7 и планкой приспособления

3, что позволяет проводить эксперименты при заданной амплитуде

деформаций материала и требуемой асимметрии цикла.

На рисунке 2.14 представлены образцы, установленные в

приспособления.

42

Рисунок 2.14 – Образцы, закрепленные в приспособлениях перед

Величину упругой деформации материала определяли с помощью

малобазных тензорезисторов 8, установленных на перемычке 5, используя

ограничительные вставки 6 разного диаметра. Фиксировали также величину

смещения ножей экстензометра 9, установленного на торце образца

(см. рисунок 2.13).

Тарировка образцов показана на рисунке 2.15. В качестве

регистрирующих приборов использовали измеритель статических

деформаций ИСД-3 и двух координатный самописец Endim 210.01.

Рисунок 2.15 – Тарировка образца

43

Зависимость деформации металла перемычки и смещения ножей

экстензометра от размеров вставки представлена на рисунках 2.16 и 2.17.

Как видно из графиков, для всех технологических вариантов обработка

отверстий эти зависимости идентичны. Анализ зависимостей позволил

выбрать размеры вставки, которая определяет допустимый уровень упругих

деформаций при проведении экспериментов.

проведением испытаний

44

O – 1 технологический вариант; Х – 2 технологический вариант;

◊ – 3 технологический вариант; ∆ – 4 технологический вариант

─── ─ наружная поверхность перемычки;

─ ─ − внутренняя поверхность перемычки;

Рисунок 2.16 – Зависимость деформаций металла перемычки образца от

диаметра ограничительной вставки

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

12,2 12,25 12,3 12,35 12,4 12,45 12,5 12,55

Деф

орм

аци

я м

етал

ла

пер

емы

чки

об

раз

ца

ɛ, %

Диаметр ограничительной вставки D, мм

45

O – 1 технологический вариант; Х – 2 технологический вариант;

◊ – 3 технологический вариант; ∆ – 4 технологический вариант

Рисунок 2.17 – Зависимость величины смещения ножей экстензометра от

диаметра ограничительной вставки

2.10 Исследования повреждаемости в коррозионной среде

Проведение испытаний в коррозионной среде проводились с целью

сравнительной оценки влияния состояния поверхностного слоя отверстий

перфорированной зоны коллектора, обработанных различными методами, на

повреждаемость металла при одновременном воздействии коррозионной

среды и напряжений.

Работа включала испытания образцов из аустенитной нержавеющей

стали 08Х18Н10Т (имеющей высокую склонность к коррозионному

растрескиванию).

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

12,2 12,25 12,3 12,35 12,4 12,45 12,5 12,55

См

ещен

ие

но

жей

экс

тен

зом

етр

а, м

м

Диаметр ограничительной вставки, мм

46

Исследования образцов из стали 08Х18Н10Т, имеющей высокую

склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением,

проводились на образцах, подвергнутых механической обработке по

различным технологическим вариантам в ускоренном растворе.

Как правило, в качестве коррозионной среды для сравнительных

испытаний на склонность нержавеющих сталей к хлоридному

растрескиванию используются концентрированные кипящие растворы MgCl2

(при температурах кипения 154°С, 135°С). Однако весьма небольшие отрезки

времени до разрушения U-образных образцов сталей типа 18–8

(1 – 5 часов) не позволяют разграничить влияние различной технологии

изготовления по показателям склонности к коррозионному растрескиванию.

В качестве коррозионной среды для проведения испытаний на

коррозионное растрескивание был взят 26% раствор NaCl, используемый в

зарубежной практике. Установлено, что в 26% растворе NaCl время до

растрескивания U-образных образцов АНС ASTM 304 составляет 144 – 150

часов (в 42% растворе MgCl2 – 1 – 2 часа).

Следует заметить, что при испытании в концентрированных растворах

NaCl существенное влияние на время до растрескивания играет рН раствора:

- при рН 5,0 растрескивание может не наблюдаться при

продолжительности экспонирования более 1000 часов (для АНС);

- при снижении рН до 2 единиц, растрескивание происходит через 178

– 312 часов, снижение рН до 1,0 приводит к еще более быстрому

растрескиванию.

Данные по растрескиванию в растворе NaCl при рН 1,0 указывают, что

этот раствор отвечает требованиям нового метода испытаний, дающего более

реальное представление об эксплуатационных характеристиках сплавов, чем

испытания в растворах MgCl2. Кроме того, поскольку этот раствор близок к

состоянию насыщения, мало зависящего от температуры, небольшие потери

47

воды не влияют существенно на концентрацию соли и температуру кипения

раствора.

При снижении рН до 1,0 в случае нержавеющей стали ASTM 304

усиливается общая коррозия. Но общая коррозия не проявляется настолько

сильно, чтобы препятствовать обнаружению коррозионного растрескивания

под напряжением. В наших опытах рН раствора до 1,0 доводили введением

ортофосфорной кислоты.

Испытания проводили при полном погружении в среду в

термостатированных ячейках при температуре кипения.

Напряжения в отожженных образцах создавались помещением их в

скобу (из одноименного материала) с двумя опорами, задавая прогиб

(рисунок 2.18). Напряжения растяжения σ, в упругой зоне, составляли (по

расчету) ~ 300 – 350 МПа.

Рисунок 2.18 – Образец в виде скобы в приспособлении с опорами

После ускоренных испытаний на склонность к коррозионному

растрескиванию образцов-колец, имеющих различные величины остаточных

напряжений, выполнен металлографический анализ на макро и микрошлифах

с поверхности колец на предмет подтверждения наличия в этих средах

повреждений, их характера и оценки влияния наличия остаточных

напряжений во внутреннем слое колец на эту характеристику.

48

3 Исследование качества поверхностного слоя при обработке глубоких

отверстий

3.1 Качество поверхностного слоя при сверлении глубоких отверстий

Исследовалось влияние технологии обработки глубоких отверстий на

остаточные напряжения, шероховатость, деформационное упрочнение

поверхностного слоя.

Обработка отверстий в образцах из сталей 10ГН2МФА, 09Г2С, 10Х2М-

ВД, 22К производилась на станке модели 2BW500-3-1800 фирмы «ТВТ» и на

станке модели «НТВ-IIIWE» фирмы «KOLB» с применением СОЖ марки

МР-3К.

Образцы для исследования остаточных напряжений в поверхностном

слое вырезались из средней части образца и из зоны у выхода сверла из

обрабатываемого отверстия.

3.1.1 Сверление отверстий в стали 10ГН2МФА

В качестве режущего инструмента использовались сверла диаметром

15,85 мм с каналом для внутреннего отвода стружки (типа ВТА).

Режимы резания при сверлении:

- скорость резания Vот 55 м/мин до 100 м/мин;

- подача на оборот Sо от 0,022 мм/об до 0,11 мм/об;

На рисунке 3.1 приведены эпюры тангенциальных остаточных

напряжений в поверхностном слое образцов из стали 10ГН2МФА после

сверления сверлами ВТА с различными величинами подач S0 (от 0,025 до

0,107 мм/об).

49

Глубина слоя, мм

1 – V = 60 м/мин, Sо = 0,1 мм/об; 2 – V = 70 м/мин, Sо=0,05 мм/об;

3 – V = 70 м/мин, Sо= 0,086 мм/об; 4 – V = 70 м/мин, Sо= 0,107 мм/об;

5 – V = 100 м/мин, Sо=0,025 мм/об.

Рисунок 3.1 – Тангенциальные остаточные напряжения в поверхностном

слое при сверлении сверлом ВТА

Анализ приведенных эпюр напряжений показывает, что с увеличением

подачи S0 от 0,025до 0,107 мм/об остаточные напряжения изменяются как по

величине, так и по знаку, от сжатия (от -50 до -100 МПа при Sо = 0,02 –

0,03 мм/об) до растяжения (от +200 до +350 МПа при Sо более 0,04 мм/об).

Эпюры остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя

имеют максимальные значения на расстоянии не более 0,1 мм от

поверхности (как правило, до 0,05 – 0,08 мм). На глубине ~0,15 – 0,2 мм

величина напряжений близка к 0.

Обобщенные данные по влиянию подачи на максимальные

тангенциальные остаточные напряжения приведены на рисунке 3.2.

50

Подача, мм/об

Рисунок 3.2 – Влияние подачи на максимальные тангенциальные остаточные

напряжения в поверхностном слое при сверлении сверлом ВТА

Приведенные данные показывают, что повышение производительности

при глубоком сверлении стали 10ГН2МФА за счет увеличения подачи от

0,025 до 0,1 мм/об приводит к образованию в поверхностном слое глубиной

~ 0,1 мм остаточных напряжений растяжения (до 350 МПа).

Следует также отметить, что при подаче менее 0,03 мм/об в

поверхностном слое формируются напряжения сжатия.

Исследовалось влияние режимов обработки на шероховатость

поверхности после однопроходной обработки сверлами ВТА. На рисунке 3.3

приведены данные о влиянии подачи на шероховатость поверхности при

сверлении отверстий сверлами ВТА при скорости резания V = 70 м/мин.

51

Подача, мм/об

Рисунок 3.3 – Влияние подачи на шероховатость поверхности при сверлении

сверлом ВТА и V = 70 м/мин

Профилограммы шероховатости поверхностей образцов из стали

10ГН2МФА представлены на рисунках 3.4 – 3.6. Горизонтальное увеличение

– 52, вертикальное увеличение – 3500.

Рисунок 3.4 – Профилограмма шероховатости поверхности образца при

сверлении сверлом ВТА (V = 70 м/мин; Sо = 0,05 мм/об);

Ra 0,31 мкм



Ra 0,47 мкм

52



Ra 0,57 мкм

Анализ результатов измерений показывает, что при обработке

отверстий сверлами ВТА величина шероховатости поверхности Ra с

увеличением подачи от 0,05 мм/об до 0,107 мм/об возрастает от 0,31мкм до

0,57 мкм.

3.1.2 Сверление отверстий в стали 09Г2С

Исследования проводились при скорости резания V=70 м/мин, подаче

от 0,03 до 0,11 мм/об.

Анализ эпюр остаточных напряжений (рисунок 3.7) при различных

режимах резания показал:

при сверлении сверлом ВТА с подачей 0,03 мм/об в поверхностном слое

формируются остаточные напряжения сжатия, достигающие 170 МПа;

при сверлении сверлом ВТА с подачей 0,06 мм/об в поверхностном слое до

≈200 мкм формируются остаточные напряжения растяжения, достигающие

130 МПа.

53


1 – V = 70 м/мин, Sо = 0,03 мм/об, середина образца;

2 – V = 70 м/мин, Sо = 0,03 мм/об, участок на входе;

3 – V = 70 м/мин, Sо = 0,06 мм/об, середина образца;

4 – V = 70 м/мин, Sо = 0,06 мм/об, участок на выходе;

5 – V = 70 м/мин, Sо = 0,107 мм/об, середина образца.

Рисунок 3.7 – Тангенциальные остаточные напряжения в поверхностном слое

образца из стали 09Г2С при сверлении сверлом ВТА

Установлено, что при сверлении сверлами со стружколомными

порожками при подачах 0,03 мм/об в поверхностном слое отверстий

образуются остаточные напряжения сжатия до 170 МПа. При работе

сверлами со стружкоделителем при подаче 0,06 мм/об в поверхностном слое

образуются остаточные напряжения растяжения ≈ 130 МПа.

При дальнейшем увеличении подачи до 0,107 мм/об при обработке

сверлами со стружкоделителем прослеживается тенденция к уменьшению

остаточных напряжений растяжения.

54

Исследовалось влияние величины подачи на шероховатость

обработанной поверхности. На рисунках 3.8 – 3.10 приведены

профилограммы обработанной поверхности образца из стали 09Г2С при

сверлении сверлами ВТА с подачами от 0,03 мм/об до 0,11 мм/об.


сверлении сверлом ВТА (V = 70 м/мин; Sо = 0,03 мм/об;

участок на выходе); Ra 0,25 мкм. Горизонтальное увеличение –

52, вертикальное увеличение – 3500









55

Анализ результатов измерения шероховатости поверхности после

сверления показывает, что с увеличением подачи шероховатость

поверхности возрастает. При S = 0,03 мм/об шероховатость поверхности

составляет Ra0,25 мкм; при S = 0,06 мм/об – Ra 0,44 мкм; при

S = 0,107 мм/об – Ra 0,55 мкм.

3.1.3 Сверление отверстий в стали 10Х2М-ВД

На рисунке 3.11 представлена характерная эпюра остаточных

напряжений в поверхностном слое образца из стали 10Х2М-ВД после

сверления сверлом ВТА.



слое образца при сверлении сверлом ВТА (V = 70 м/мин;

Sо = 0,145 мм/об; середина образца)

56

На рисунке 3.12 приведена характерная профилограмма шероховатости

поверхности образца из стали 10Х2М-ВД после сверления сверлом ВТА.



середина образца); Ra1,67 мкм. Горизонтальное увеличение –


Анализ результатов исследований при сверлении стали 10Х2М-ВД

позволяет сделать следующие выводы:

- при сверлении отверстий сверлами ВТА при подаче S = 0,145 мм/об

шероховатость поверхности отверстий составляет Rа 1,39 – Rа 2,22 мкм. В

поверхностном слое формируются остаточные напряжения растяжения

глубиной от 20 мкм до 150 мкм.

3.1.4 Сверление отверстий в стали 22К

Исследовалось качество поверхностного слоя при обработке глубоких

отверстий сверла ВТА Ø15,91 мм в образцах из стали 22К.

Режимы резания:

V = 70 м/мин; Sm = 200 мм/мин; S0 = 0,14 мм/об.

На рисунке 3.13 приведена эпюра тангенциальных остаточных

напряжений в поверхностном слое образца.

Характерная профилограмма шероховатости поверхности образца из

стали 22К приведена на рисунке 3.14.

57


Рисунок 3.13 – Тангенциальные остаточные напряжения в образце при


середина образца)



середина образца); Ra 0,59 мкм. Горизонтальное увеличение –


Установлено, что в слое глубиной 40 мкм формируются остаточные

напряжения сжатия с величиной 150 – 200 МПа, далее они переходят в

напряжения растяжения с величиной 50 – 90 МПа.

58

Установлено, что средняя шероховатость поверхности составляет Ra

0,6 мкм.

В таблице 3.1 приведены результаты измерения шероховатости

поверхности после обработки различных материалов с разными подачами

Таблица 3.1 – Шероховатость поверхности Ra при сверлении глубоких

отверстий со скоростью резания 70 м/мин и с подачами от 0,05

до 0,107 мм/об

Сталь Подача

10ГН2МФА 0,05мм/об 0,087мм/об 0,107мм/об -

Ra 0,31 Ra 0,47 Ra 0,57 -

09Г2С 0,03мм/об 0,06мм/об 0,107мм/об -

Ra 0,25 Ra 0,44 Ra 0,55 -

10Х2М-ВД - - - 0,145мм/об

- - - Ra 1,7

22К - - - 0,145мм/об

- - - Ra 0,59

На основании проведенных исследований процесса глубокого

сверления можно сделать следующие выводы:

- в зависимости от режимов резания (скорости, подачи), обрабатываемого

материала, геометрических параметров режущей части инструмента в

поверхностном слое при сверлении могут формироваться как остаточные

напряжения растяжения так и сжатия различной величины по глубине

поверхностного слоя.

- при сверлении отверстий сверлами ВТА при подаче S0 = 0,03 мм/об

шероховатость поверхности Ra 0,16 – Ra 0,64 мкм, в тонком поверхностном

слое формируются остаточные напряжения сжатия небольшой величины;

- при сверлении отверстий сверлами ВТА при подаче S0 = 0,11 мм/об

шероховатость поверхности Ra 0,37 – Ra 0,42 мкм, могут формироваться

остаточные напряжения как сжатия, так и растяжения;

- глубина слоя с остаточными напряжениями растяжения не превышает

0,2 мм [98].;

- увод оси отверстий на глубине 290 мм может достигать 0,2 мм.

59

3.2 Качество поверхностного слоя при развертывании глубоких отверстий

3.2.1 Развертывание отверстий в стали 10ГН2МФА

На операции развертывания применялись развертки диаметром

16,25 мм, изготовленные из быстрорежущей стали типа Р6М5 и твердого

сплава типа ВК6.

Режимы резания при развертывании:

- скорость резания V от 5 м/мин до 77 м/мин;

- подача Sо от 0,1 мм/об до 0,4 мм/об;

- подача минутная Sм от 6 мм/мин до 600 мм/мин.

Результаты исследований тангенциальных остаточных напряжений

после операций сверления и последующего развертывания в образцах из

стали 10ГН2МФА показаны на рисунке 3.15. Напряжения сжатия

обнаружены при развертывании на скоростях резания менее 10 м/мин и

подаче 0,35 мм/об.

60



1 V = 100 м/мин; Sо = 0,03 мм/об V = 8 м/мин;Sо = 0,35 мм/об

2 V = 100 м/мин; Sо = 0,03 мм/об V = 18 м/мин; Sо = 0,35 мм/об

3 V = 100 м/мин; Sо = 0,03 мм/об V = 77 м/мин;Sо = 0,35 мм/об


слое образцов при сверлении сверлом ВТА и развертывании

разверткой из быстрорежущей стали

Анализ эпюр тангенциальных остаточных напряжений после операции

развертывания показывает, что величина и глубина распространения

напряжений в поверхностном слое при изменении режимов резания могут

существенно изменяться. Характерной особенностью эпюр остаточных

напряжений для большинства режимов развертывания является снижение

величины напряжений в поверхностном слое до величин близких к 0 на

глубине 0,05 – 0,1 мм

Развертывание твердосплавными развертками при высоких скоростях

резания формирует остаточные напряжения растяжения, максимум которых

у поверхности достигает величины 200 МПа.

При уменьшении скорости резания снижается как величина

максимальных напряжений, так и глубина слоя с напряжениями растяжения.

61

При развертывании со скоростями резания 18 – 20 м/мин остаточные

напряжения растяжения обнаружены только в тонком поверхностном слое

0,02 – 0,05 мм, переходящие на большей глубине в нулевые или в

напряжения сжатия. При уменьшении величины подачи до 0,13 мм/об

остаточные напряжения сжатия зафиксированы при скорости резания

20 м/мин (рисунок 3.16).



1 V = 67 м/мин; Sо = 0,022 мм/об V = 20 м/мин; Sо= 0,375 мм/об

2 V = 67 м/мин; Sо = 0,022мм/об V = 20 м/мин; Sо = 0,375 мм/об


Рисунок 3.16 – Тангенциальные остаточные напряжения в образце из стали

10ГН2МФА при сверлении сверлом ВТА и развертывании

разверткой из быстрорежущей стали

Проведены исследования остаточных напряжений после обработки

глубоких отверстий ружейными сверлами с внутренним подводом СОЖ и

наружным отводом стружки. На рисунке 3.17 приведена одна из эпюр

остаточных напряжений в поверхностном слое глубоких отверстий после

обработки сверлами Ø15,9 мм, глубиной 170 мм в стали 10ГН2МФА и

характерные эпюры остаточных напряжений при обработке глубоких

62

отверстий ружейными сверлами в нержавеющей стали 08Х18Н10Т

(V = 65 м/мин; Sо = 0,04 мм/об).


Рисунок 3.17 – Остаточные напряжения в поверхностном слое глубоких

отверстий после сверления ружейным сверлом:1, 2 – в

нержавеющей стали 08Х18Н10 (V = 65 м/мин, Sо = 0,04 мм/об);

3,4 – в стали 10ГН2МФА (V = 85 м/мин; Sо =0,04 мм/об)

Для установления возможностей формирования более высокого уровня

остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое отверстий были

проведены эксперименты по применению «упрочняющих» методов

обработки, в частности специальными режуще-упрочняющими развертками.

Результаты представлены на рисунке 3.18.

63






Рисунок 3.18 – Остаточные напряжения в образце из стали 10ГН2МФА при

сверлении сверлом ВТА и развертывании режуще-

упрочняющей разверткой из быстрорежущей стали

Обработка «упрочняющими» развертками может обеспечивать более

стабильное формирование поверхностного слоя с гарантированным уровнем

напряжений сжатия. На рисунке 3.19 приведена схема режуще-упрочняющей

развертки. Величина «натяга» упрочняющей части составляла

0,01 – 0,02 мм на диаметр отверстия.

64

Рисунок 3.19 – Схема режуще-упрочняющей развертки

Анализ результатов исследований показал, что скорость резания при

развертывании оказывает значительное влияние на остаточные напряжения.

При увеличении скорости резания более 10 м/мин при подачах 0,35 –

0,4 мм/об в поверхностном слое возможно появление остаточных

напряжений растяжения.

Для обеспечения формирования в поверхностном слое остаточных

напряжений сжатия необходимо либо снижать скорость резания, либо

уменьшать величину подачи.

В этом случае при скорости резания 20 м/мин и подаче 0,16 мм/об

обеспечиваются напряжения сжатия порядка 50 МПа.

Исследовалась шероховатость поверхности после двухпроходной

обработки, включающей сверление и развертывание.

65

Влияние скорости резания при развертывании на шероховатость

поверхности исследовалось в диапазоне скоростей резания 8 – 80 м/мин

(рисунок 3.20).

Рисунок 3.20 – Влияние скорости резания на шероховатость поверхности при

развертывании образцов из стали 10ГН2МФА; Sо = 0,35 мм/об

Экспериментально установлено, что скорость резания при

развертывании оказывает существенное влияние на шероховатость

поверхности.

При увеличении скорости резания от 8 м/мин до 77 м/мин величина

шероховатости поверхности уменьшается от 5,79 мкм до 1,48 мкм (при

подаче S = 0,35 мм/об).

На рисунках 3.21 – 3.24 приведены профилограммы поверхностей

образцов из стали 10ГН2МФА после развертывания при различных

скоростях резании.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Шер

охова

тост

ь, м

км

Скорость резания, м/мин

Ra

V

66

Рисунок 3.21 –Профилограмма шероховатости поверхности образца при

сверлении сверлом ВТА (V = 100 м/мин; Sо = 0,03 мм/об) и

развертывании разверткой из твердого сплава (V = 77 м/мин;

Sо = 0,35 мм/об); Ra 1,48 мкм. Горизонтальное увеличение –



сверлении сверлом с ВТА (V = 60 м/мин; Sо = 0,067 мм/об) и

развертывании разверткой из твердого сплава (V = 58,7м/мин;

Sо = 0,4 мм/об); Ra1,73 мкм. Горизонтальное увеличение – 52,

вертикальное увеличение – 3500


сверлении сверлом ВТА (V = 67,2 м/мин; Sо = 0,022 мм/об) и

развертывании разверткой из быстрорежущей стали

(V = 20м/мин; Sо = 0,375 мм/об) Ra3,18мкм. Горизонтальное

увеличение – 52, вертикальное увеличение – 3500

67

Рисунок 3.24 –Профилограмма шероховатости поверхности образца при

сверлении сверлом БТА (V = 100 м/мин; Sо = 0,03 мм/об) и

развертывании разверткой из быстрорежущей стали

(V = 8 м/мин; Sо = 0,35 мм/об); Ra 5,79 мкм. Горизонтальное

увеличение – 52, вертикальное увеличение – 3500

Проведены исследования деформационного упрочнения

поверхностного слоя отверстий после сверления и развертывания.

Сверление производилось сверлами ВТА при скорости резания

V = 100 м/мин с подачей S = 0,03 мм/об. Скорость резания при

развертывании составляла 8 и 20 м/мин, подача 0,35 мм/об.

Измерение микротвердости проводилось на косых шлифах при

нагрузке 0,05 – 0,2 Н.

На рисунке 3.25 приведено распределение микротвердости по глубине

поверхностного слоя образцов после развертывания.

68

- V=20 м/мин, S = 0,35 мм/об

Х - V= 8м/мин, S = 0,35 мм/об

Рисунок 3.25 – Распределение микротвердости по глубине поверхностного

слоя отверстий после развертывания

Анализ экспериментальных данных показывает, что при скорости

резании 8 м/мин максимальная микротвердость поверхностного слоя

составляет 4300 МПа, при V = 20м/мин микротвердость может достигать

5000 МПа. Глубина упрочненного слоя составляет от 30 до 70 мкм.

3.2.2 Развертывание отверстий в стали 10Х2М-ВД

На рисунке 3.26 представлены эпюры тангенциальных остаточных

напряжений в поверхностном слое отверстий в образцах из стали 10Х2М-ВД

после сверления сверлами ВТА и развертывания.

69



1 V = 70 м/мин;Sо = 0,145 мм/об V= 20 м/мин;Sо = 0,35 мм/об;

участок на входе

2 V = 70 м/мин;Sо = 0,145 мм/об V = 20 м/мин; Sо = 0,35 мм/об;

участок на выходе

Рисунок 3.26 – Тангенциальные остаточные напряжения в образце при

сверлении сверлом ВТА и развертывании

На рисунке 3.27 приведена профилограмма шероховатости

поверхности образца из стали 10Х2М-ВД после сверления сверлом ВТА и

развертывания.


сверлении сверлом ВТА и развертывания (V = 70 м/мин;

Sо = 0,145 мм/об; середина образца); Ra 1,79 мкм.

Горизонтальное увеличение – 52, вертикальное увеличение –

3500

70

Анализ эпюр остаточных напряжений в поверхностном слое образцов

из стали 10Х2М-ВД после развертывания показывает, что при скорости

резания V= 20 м/мин и подаче Sо = 0,35 мм/об формируются в основном

остаточные напряжения сжатия (до 120 МПа), распространяющиеся на

глубину до 0,25 мм.

Шероховатость поверхности после развертывания Ra1,62 –

Ra 3,14 мкм.

3. 3 Выводы

На основании результатов комплексных исследований влияния условий

обработки глубоких отверстий на операциях сверления сверлами типа ВТА и

развертывания на качество поверхностного слоя (остаточные напряжения,

шероховатость, деформационное упрочнение) установлено следующее.

Для ответственных изделий теплообменного оборудования АЭУ, к

которым предъявляются высокие требования по качеству, наиболее

рациональными методам обработки глубоких отверстий является

двухпроходная обработка, включающая сверление инструментом типа ВТА с

внутренним отводом стружки и развертывание.

На величину остаточных напряжений при сверлении сверлами ВТА

значительное влияние оказывает подачи. С увеличением подачи от 0,025 до

0,107 мм/об остаточные напряжения изменяются как по величине, так и по

знаку – от напряжений сжатия (-50 … -100 МПа) до напряжений растяжения

(350 МПа). При этом эпюра напряжений по глубине поверхностного слоя

имеет максимальное значение на расстоянии не более ~0,2 мм от

поверхности. На расстоянии 0,2 мм напряжения приближаются к нулю. В

связи с тем, что глубина залегания напряжений растяжения не превышает

~0,15 – 0,2 мм при последующем развертывании отверстий со снятием

припуска 0,2 мм слой с остаточными напряжениями растяжения удаляется.

71

Анализ эпюр остаточных напряжений после операции развертывания

показывает, что величина и глубина распространения напряжений в

поверхностном слое существенно зависит от режимов резания. При

обработке твердосплавными развертками на высоких скоростях резания

формируются остаточные напряжения растяжения, максимум которых у

поверхности достигает величины +200 – +400 МПа. С уменьшением скорости

резания снижается как величина максимумов напряжений, так и глубина слоя

с напряжениями растяжения.

При развертывании на скоростях резания 18 – 20 м/мин остаточные

напряжения растяжения образуются только в тонком поверхностном слое

0,02 – 0,05 мм. На большей глубине они переходят в напряжения сжатия.

Напряжения сжатия величиной до 300 МПа получены при скоростях резания

менее 10 м/мин при подаче 0,15 мм/об. При скорости резания 20 м/мин и

подаче до 0,14 мм/об их величина ~100 МПа.

Развертывание на скоростях резания более 10 – 15 м/мин при подачах

0,35 – 0,4 мм/об формирует в поверхностном слое остаточные напряжения

растяжения.

На шероховатость поверхности при развертывании существенное

влияние оказывает скорость резания. При увеличении скорости резания от 8

до 77 м/мин величина шероховатости Ra уменьшается от 5,8 до 1,5 мкм (при

подаче 0,35 мм/об).

Измерения величин разбивки и увода оси при обработке глубоких

отверстий показали:

- при сверлении с подачей Sо = 0,03 – 0,04 мм/об величина разбивки

отверстий доходит до 0,06 мм;

- при увеличении подачи до Sо = 0,1 – 0,145 мм/об величина разбивки

до 0,2 мм;

-увод оси отверстий на глубине 290 мм не превышает 0,2 мм.

72

4 Исследование влияния методов запрессовки труб на качество

поверхностного слоя деталей трубного соединения

В работе проведены исследования следующих методов закрепления

труб:

- механическим закреплением;

- гидравлической раздачи.

4.1 Исследование соединения труба - трубная доска полученного методом

механического вальцевания

Подвальцовка или предварительное вальцевание обычно проводится

для обеспечения равномерного прилегания и закрепления участка трубы к

поверхности отверстия трубной доски перед последующей герметизирующей

сваркой. Схема подвальцовки образцов под сварку приведена на

рисунке 4.1.

Рисунок 4.1– Схема подвальцовки трубы в ложементе для последующей

сварки

Схема вальцевания приведена на рисунке 4.2.

73

1 – ролик, 2 – ложемент, 3 - труба

Рисунок 4.2 – Схема механического вальцевания трубы

При предварительных экспериментах подвальцовка проводилась на

образцах ложементов с отверстием диаметром 16,25+0,17

мм, наружным

диаметром 40 мм и длиной 60 мм, в которые устанавливались трубы

диаметром 16 мм с толщиной стенки 2 мм.

В предварительной серии экспериментов ширина слоя вальцевания

(активная длина роликов) равнялась 10 мм (подвальцовка) и 23 мм

(вальцевание). Частота вращения веретена составляла 400 об/мин. Крутящий

момент, прикладываемый к веретену, был равен 4 Нм.

После подвальцовки произошло удлинение трубы на 0,6 мм, в

основном по внутренней стенке трубы. Величина выступающей удлиненной

части составляла 0,3 мм…0,4 мм. Усилие сдвига образца трубы составило

10 кН.

При ширине вальцованного слоя 23 мм, скорости вращения веретена

400 об/мин и максимальном моменте, прилагаемом к веретену, 4 Нм

наружная поверхность трубы не соприкасалась с поверхностью отверстия и

соединения трубы с ложементом не происходило. Наружный диаметр трубы

после вальцевания составил 16,2 мм при диаметре отверстия в ложементе

16,35 мм.

74

При увеличении максимального момента, прилагаемого к веретену, до

9 Нм, соединение трубы с ложементом было обеспечено. Усилие сдвига при

этом составило 19000 Н. Дефекты поверхностного слоя в виде «шелушения»

практически отсутствуют.

На рисунках 4.3 и 4.4 приведены графики зависимости параметров

вальцевания трубы с моментом 4 Нм и 9 Нм от времени вальцевания для

ширины зоны вальцевания 23 мм.

75

Время вальцевания, сек

1 – перемещение веретена относительно вальцуемой заготовки за время

вальцевания (Lвер.), мм;

2 – количество оборотов веретена (S вер.) за время вальцевания, об;

3 – количество оборотов обоймы (S об.) за время вальцевания, об;

4 – крутящий момент при развальцовке(Mкр), 10-1

•Нм

Рисунок 4.3– Зависимость перемещения веретена относительно заготовки (1),

количества оборотов веретена (2) и обоймы (3), крутящего

момента (4) от времени вальцевания (частота вращения

веретена 400 об/мин, ширина вальцованного слоя 23 мм,

крутящий момент 4 Нм.)

76







•Нм




веретена400 об/мин, длина вальцованного слоя 23 мм,

крутящий момент 9 Нм)

77

Для предварительной оценки влияния частоты вращения веретена

дополнительно были проведены эксперименты при частотах вращения

веретена – 100 об/мин и 1000 об/мин и крутящем моменте Мкр – 12 Нм.

Графики зависимостей параметров вальцевания труб при частоте

вращения веретена 100 об/мин и 1000 об/мин от времени вальцевания

приведены на рисунках 4.5 и 4.6.

Проведенные эксперименты показали, что при частоте вращения

веретена 100 об/мин обеспечивается высокое качество поверхности

вальцованной трубы. Однако производительность процесса низкая. При

частоте вращения 1000 об/мин производительность высокая, однако имеет

место образование «чешуек» металла трубы («шелушение»).

На графиках хорошо видно, что во время проскальзывания

(пробуксовки) вальцующих роликов момент, возникающий на веретене,

несколько снижается.

Предварительные опыты показали, что для обеспечения достаточной

плотности прилегания трубы к ложементу при механическом вальцевании,

необходимо момент вальцевания варьировать в зависимости от ширины

вальцуемого слоя. Так, при подвальцевании (ширина вальцуемого слоя до 10

мм) требуется момент не менее 4 Нм, а при увеличении ширины вальцуемого

слоя до 20 – 30 мм для получения необходимой плотности прилегания

момент должен быть увеличен до 9 Нм.

После проведения предварительных экспериментов по вальцеванию

проводились исследования по подвальцовке и вальцеванию труб длиной до

380 мм в ложементах длиной до 270 мм.

78







•Нм






79







•Нм

Рисунок 4.6 – Зависимость перемещения веретена относительно заготовки

(1), количества оборотов веретена (2) и обоймы (3), крутящего




80

Эксперименты по подвальцовке проводились трехроликовыми

коническими вальцовками на глубину трубы 14 – 15 мм, при этом прижатие

трубы к ложементу происходило на глубине 5 мм.

Для определения зависимости усилия сдвига трубы в ложементе от

крутящего момента при подвальцовке на образцах, моделирующих сварное

соединение, проведены эксперименты с различными крутящими моментами:

4,4 Нм, 5,2 Нм и 7Нм. Частота вращения веретена при этом была постоянной

и составляла 400 об/мин.

В эксперименте по подвальцовке трубы крутящий момент,

прикладываемый к веретену, равнялся 4,4 Нм, фактическая ширина

развальцованного участка трубы составила 14 мм. Ширина участка прижатия

трубы к ложементу (поверхность контакта) составила 4,5 мм.

В указанном эксперименте касания трубы и ложемента не

происходило. Наружный диаметр трубы после раздачи 16,28 мм.

При увеличении крутящего момента до 5,2 Нм труба была закреплена

в ложементе, с усилием сдвига 3 кН. Фактическая ширина развальцованного

слоя трубы составила 14 мм, а ширина слоя прижатия трубы к ложементу –

4,5 мм.

При крутящем моменте подвальцовки 7 Hм, усилие сдвига увеличилось

до 7000 Н, ширина развальцованного слоя составила 14 мм, а длина слоя

прижатия трубы к ложементу – 4,5 мм.

Вальцевание на полную длину роликов инструмента (30 мм)

проводилось на образцах труб длиной 340 мм, ø16 мм с толщиной стенки 2

мм, длина ложементов для вальцевания составляла 270 мм. Механическое

вальцевание проводилось с крутящими моментами, равными, 12 Нм, 15 Нм и

19 Нм. Частота вращения веретена составляла 400 об/мин. Расстояние от

вальцуемого участка до торца трубы равнялось 170 мм.

81

При крутящем моменте 12 Нм и частоте вращении веретена 400 об/мин

труба была закреплена в ложементе с усилием сдвига 18 кН, ширина слоя

прижатия трубы к ложементу составила около 30 мм.

При крутящем моменте 15 Нм и частоте вращения веретена 400 об/мин

труба была закреплена в ложементе с усилием сдвига 38 кН, ширина

прижатия трубы к ложементу составила 30 мм.

При крутящем моменте 19 Нм и частоте вращения веретена 400 об/мин

труба была закреплена в ложементе с усилием сдвига, 50 кН, длина прижатия

трубы к ложементу составила около 30 мм.

На основании проведенных измерений построен график зависимости

усилия сдвига от крутящего момента вальцевания (рисунки 4.7).

Для определения усилия сдвига при выпрессовке трубы был проведен

ряд экспериментов при температуре образца 3000С.

При подвальцовке образцов с крутящим моментом 5,2 Нм, при

ширине развальцованного слоя 14 мм и ширине контактного слоя 4,5 мм,

разница усилия сдвига при комнатной температуре (200С) и в нагретом

состоянии (3000С), составила – 6,7 %.

82

Крутящий момент, Нм

Рисунок 4.7 – Зависимость усилия сдвига трубы из ложемента:

- после подвальцовки при рабочей длине роликов 14 мм, ширина

прижатия трубы к ложементу – 4,5 (момент, Нм: 4,4; 5,2; 7; 8,2)

- после вальцевания при рабочей длине роликов 30 мм, ширина

прижатия трубы к ложементу – 30 мм (момент, Нм: 12; 15; 19)

Для исследования влияния частоты вращения веретена на дефекты

поверхностного слоя в виде «шелушения» проводилась подвальцовка с

различными частотами вращения веретена: n = 50 об/мин, 100 об/мин,

400 об/мин, 600 об/мин.

Использовались ложементы длиной 60 мм, трубы длиной 90 мм.

Подвальцовка проводилась на глубину 14 мм при ширине контакта трубы и

ложемента, равной 5мм.

Проведенные исследования показали, что при подвальцовке с частотой

вращения веретена до 500 об/мин при крутящем моменте 6,0 Нм

«шелушения» не наблюдается.

Для определения виляния крутящего момента на шероховатость,

подвальцовка образцов проводилась с крутящими моментами 6,8 Нм, 9,7 Нм

и 10,2 Нм и частотой вращения веретена 100 об/мин. Использовались

83

ложементы длиной 60 мм, трубы длиной 90 мм. Подвальцовка проводилась

на глубину 14 мм при ширине контактной поверхности 4,5 мм.

После того как крутящий момент превышает 8,7 Нм возникает

«шелушение» после того.

Проведены металлографические исследования поверхностного слоя

труб после механического вальцевания. Исследование микроструктур

выполнялись в трех зонах образцов, указанных на рисунке 4.8.

1 – зона вальцевания трубы вне ложемента;

2 – зона вальцевания трубы в ложементе;

3 – не вальцуемая зона трубы.

Рисунок 4.8– Образец для исследования микроструктуры

Микроструктура стали 07Х12НМФБ показана на рисунках 4.9 – 4.11.

Во всех трех исследованных зонах (поверхностном слое шириной ≈ 50 мкм)

зерно мельче, чем в основном металле. У внутренней поверхности

наблюдается окисление границ зерен (ширина окисленной зоны ≈ 20 мкм).

Размер зерна на внутренней поверхности трубы оценен 12 номером, в

остальном металле 11 номером.

84

Микротвердость поверхностного слоя отверстия в трубе имеет

тенденцию к некоторому повышению по сравнению к основному металлу

(рисунки 4.12 – 4.14).

Различий между тремя исследованными зонами трубы по

микроструктуре, размеру зерна и значениям микротвердости не выявлено.

х500

Рисунок 4.9 – Микроструктура металла у внутренней поверхности трубы в

зоне 1

х500

Рисунок 4.10 – Микроструктура металла у внутренней поверхности трубы в

зоне 2

85

х500

Рисунок 4.11 – Микроструктура металла у внутренней поверхности трубы

в зоне 3

х200

Рисунок 4.12 – Значения микротвердости металла у внутренней поверхности

трубы в зоне 1

х200



86

х200



В поверхностном слое (глубина ≈ 50 мкм) зерно мельче, чем в

основном металле.

Эксперименты по механическому вальцеванию проведены с

применением роликов, обеспечивающих длину вальцевания 30 мм.

При исследовании процесса вальцевания на полную длину ролика

вальцовки проводились измерения шероховатости поверхности и остаточных

напряжений в поверхностном слое.

На основании измерений шероховатости поверхности до и после

вальцевания установлено:

- шероховатость наружной поверхности трубы до вальцевания составляла

Ra 0,77 – Ra 1,2 мкм, после вальцевания практически не изменилась

Ra 1,05 мкм;

-шероховатость внутренней поверхности трубы до вальцевания составляла

Ra1 – 2,84 мкм, после вальцевания шероховатость уменьшилась до

Ra0,8мкм;

-шероховатость поверхности отверстия в ложементе до вальцевания

составила Ra3,84 мкм, после вальцевания практически не изменилась

Ra3,32 мкм.

87

Анализ эпюр остаточных напряжений в поверхностном слое труб до и

после вальцевания показывает, что имеется значительная разница

результатов, связанная, по-видимому, с особенностями технологии их

производства, в частности, выполнения операций термической обработки,

шлифования, травления. Формируются как напряжения сжатия, так и

напряжения растяжения.

Измерения наружного и внутреннего диаметров трубы и отверстия

ложемента до и после вальцевания приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Результаты измерений диаметров труб и отверстий в

ложементах до и после вальцевания

Наименование

параметров

Диаметр до

вальцевания, мм

Диаметр после

вальцевания, мм

Отверстие ложемента 16,28 – 16,32 16,28 – 16,32

Наружная

поверхность трубы 16,0 – 16,1 16,28 – 16,32

Внутренняя

поверхность трубы 11,9 – 12 12,1 – 12,2

С целью определения рациональных режимов подвальцовки труб в

ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» был проведен

радиографический контроль сварных соединений. Установлено, что

удовлетворительные результаты по качеству сварного шва получены после

подвальцовки при крутящем моменте 6 Нм.

Результаты исследования механической подвальцовки и вальцевания

труб Ø16х2 мм из стали 07Х12НМФБ показали:

- подвальцовка труб на глубину 14+1

мм от торца трубы, выступающего до

зеркала доски трубной на 7 мм, может быть реализована при частоте

вращения веретена n ≤ 400 об/мин и крутящих моментах до 10 Нм;

- при крутящих моментах Мкр = 10 – 15 Нм, частотах вращения свыше 500

об/мин имеет место интенсивное «шелушение» поверхности трубы;

88

- в процессе подвальцовки и вальцевания происходит интенсивный износ

элементов конструкции вальцовок, что может приводить к увеличенной

глубине подвальцовки и ухудшению качества соединения;

- механическое вальцевание при длине контакта 30 мм и крутящем моменте

Мкр = 12 – 19 Нм обеспечивает усилие сдвига трубы, превышающее

требования ОСТ 26-17-01-83;

- расчеты показали, что при закреплении труб из стали 07Х12НМФБ, в

связи с высокими прочностными свойствами металла, в рабочих органах

вальцовки развиваются высокие напряжения, превышающие допустимые

значения. Поэтому при механическом вальцевание труб теплообменного

аппарата из стали 07Х12НМФБ целесообразно использовать инструмент с

уменьшенной рабочей длиной роликов (lp ≈ 17 мм). Кроме того, необходима

принудительная смена вальцовок или их рабочих органов через 30 – 40

отверстий [96, 97].

4.2 Исследование соединения труба - трубная доска полученного методом

гидрораздачи

Исследование соединения «труба - трубная доска» проводилось после

запрессовки труб методом гидрораздачи как без последующего

механического вальцевания, так и с последующим механическим

вальцеванием. Механическое вальцевание проводилось на входе и выходе из

ложемента.

Гидрораздача образцов проводилась на «ЗиО-Подольск» на установке

Hytex 4000 при давлении 3600МПа специальным зондом.

При исследовании соединения «труба - трубная доска» после

запрессовки труб методом гидрораздачи определялись следующие

параметры:

- зазоры в соединениях;

- усилие сдвига;

89

- прочностные характеристики материала труб при испытании на

растяжение;

- микротвердость поверхностного слоя образцов;

- шероховатость поверхности образцов;

- остаточные напряжения в поверхностном слое образцов.

Эскиз разрезки образца для проведения исследований приведен на

рисунке 4.15.

Рисунок 4.15– Схема разрезки образца после гидрораздачи

Степень прилегания наружной поверхности трубы к поверхности

отверстия ложемента после гидрораздачи проверялась в сечениях I-I; II-II

и III-III. Плотность прилегания весьма высокая, типичные микрофотографии

мест контакта показаны на рисунках 4.16 – 4.21.

Данные выборочного контроля величины местных зазоров в 4-х зонах

окружности контакта приведены в таблице 4.2.

90

Таблица 4.2 – Результаты измерений местных зазоров между трубой и

ложементом в образце после запрессовки методом

гидрораздачи

Сечения Зоны измерения

зазора Зазоры, мкм

I-I

1 11

2 13

3 12

4 12

II-II

1 0,5

2 0,2

3 0,2

4 0,2

III-III

1 0

2 0

3 0

4 0,2

Рисунок 4.16 – Поперечное сечение соединения «труба – трубная доска»

после гидрораздачи (сечение I-I, образец 71-72)


после гидрораздачи (сечение II-II, образец 72-73)

91


после гидрораздачи (сечение III-III, образец 74-75)

а б

а – микрошлиф поверхности при увеличении в 125 раз

б – микрошлиф поверхности при увеличении в 500 раз

Рисунок 4.19 – Характерные участки металлографического шлифа в области

соприкосновения стенок труб и отверстия ложемента после

гидрораздачи (сечение I-I, образец 71-72)

92

а б

в г

а, б - микрошлиф поверхности при увеличении в 125 раз

в, г - микрошлиф поверхности при увеличении в 500 раз

Рисунок 4.20– Характерные участки металлографического шлифа в области


гидрораздачи (сечениеII-II, образец 72-73)

93

а б

в г

а, б– микрошлиф поверхности при увеличении в 125 раз

в, г– микрошлиф поверхности при увеличении в 500 раз

Рисунок 4.21 – Характерные участки металлографического шлифа в области


гидрораздачи (сечениеIII-III, образец 74-75)

На рисунках 4.22 – 4.24 приведены результаты измерений

микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое после

гидрораздачи без последующего механического вальцевания.

94

Рисунок 4.22 – Микротвердость поверхностного слоя наружной поверхности

трубы после гидрораздачи (давление 3600 МПа)

Рисунок 4.23 – Микротвердость поверхностного слоя внутренней

поверхности трубы после гидрораздачи (давление 3600 МПа)

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ми

кротв

ерд

ост

ь,М

Па

Глубина поверхностного слоя, мм

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ми

кротв

ерд

ост

и, М

Па


95


Рисунок 4.24 – Эпюра тангенциальных остаточных напряжений в

поверхностном слое: 1 – наружной поверхности трубы после

гидрораздачи (давление 3600 МПа); 2 – внутренней

поверхности трубы после гидрораздачи (давление 3600 МПа)

Во второй серии экспериментов проводилась запрессовка труб

гидрораздачей с последующим механическим вальцеванием (длина зоны

прилегания трубы к ложементу 30 мм).

На рисунках 4.25 – 4.28 представлены результаты измерений

микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое после

гидрораздачи с последующим механическим вальцеванием.

Из представленных данных следует, что при гидрораздачи с давлением

3600 МПа воздействие на поверхностный слой трубы и ложемента

проявляется в значительно меньшей степени, чем при запрессовке другими

методами. Уровень остаточных напряжений в поверхностном слое на

глубине более 0,05 мм не превышал ~50 МПа. Изменения микротвердости и

шероховатости поверхностного слоя трубы и ложемента незначительны.

96

Рисунок 4.25 – Микротвердость поверхностного слоя ложемента после

гидрораздачи с последующим вальцеванием (режимы:

Мкр = 12 Нм, nвер = 400 об/мин; давление 3600 МПа)

Рисунок 4.26 – Микротвердость поверхностного слоя наружной поверхности

трубы после гидрораздачи с последующим вальцеванием

(режимы: Мкр = 12 Нм, nвер = 400 об/мин; давление 3600 МПа)

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ми

кротв

ерд

ост

ь, М

Па


1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ми

кротв

ерд

ост

ь, М

Па


97

Рисунок 4.27 – Микротвердость поверхностного слоя внутренней

поверхности трубы после гидрораздачи с последующим

вальцеванием (режимы: Мкр = 12 Нм, nвер = 400 об/мин;

давление 3600 МПа)


Рисунок 4.28 – Эпюра тангенциальных остаточных напряжений в

поверхностном слое ложемента после гидрораздачи и

последующего вальцевания

(Мкр = 12 Нм, nвер = 400 об/мин; давление 3600 МПа)

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ми

кротв

ерд

ост

ь, М

Па


98

После дополнительного механического вальцевания шероховатость

поверхности отверстия ложемента и наружной поверхности трубы

практически не изменяется, На внутренней поверхности трубы

шероховатость снижается вследствие сглаживания роликами.

Микротвердость поверхностного слоя ложемента и наружной поверхности

трубы практически не изменяется, микротвердость тонкого поверхностного

слоя внутренней поверхности трубы немного увеличивается (на 15% – 17%).

В поверхностном слое ложемента зафиксированы тангенциальные

остаточные напряжения сжатия, а в наружном и внутреннем поверхностном

слое трубы – напряжения растяжения, распространяющиеся на глубину 0,1 –

0,2 мм.

Некоторая нестабильность в характере эпюр остаточных напряжений

может быть связана с исходной нестабильностью напряжений в

поверхностном слое труб, как это отмечалось ранее, вследствие особенностей

и нестабильности режимов технологии их производства на операциях

пластического деформирования, термической обработки, шлифования,

травления и др.

Усилие сдвига при выпрессовке трубы из ложемента длиной 21 мм

составило 34000 Н.

После гидрораздачи были проведены замеры геометрических

параметров образцов, которые приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Результаты измерения образцов

Наименование

параметров

Диаметр до

запрессовки

гидрораздачей, мм

Диаметр после

запрессовки

гидрораздачей, мм

Отверстие ложемента 16,28-16,32 16,31

Наружная

поверхность трубы

16,0-16,1 16,31

Внутренняя

поверхность трубы

11,9-12 12,2-12,35

99

Результаты определения механических свойств образцов трубы после

гидрораздачи приведены в таблице 4.4 (режим гидрораздачи – 3600 МПа;

материал трубы – 07Х12НМФБ).

Таблица 4.4 – Механические свойства образцов трубы

Номер

образца

Временное

сопротивление

σв,

МПа

Предел

текучести

σ0,2,

МПа

Относительное

удлинение δ5,

%

7 650 592 17,0

7-2 666 507 16,0

4.3 Выводы

Результаты исследования механической подвальцовки и вальцевания

труб Ø16х2 мм из стали 07Х12НМФБ показали:

- подвальцовка труб на глубину 14+1

мм от торца трубы, выступающего до

зеркала трубной доски на 7 мм, может быть реализована при частоте

вращения веретена n ≤ 400 об/мин и крутящих моментах от 8 Нм до 10Нм.

При крутящем моменте 8,4 Нм усилие сдвига составило ~ 15 кН;

- при крутящих моментах Мкр = 10 – 15 Нм, частотах вращения свыше 500

об/мин имеет место интенсивное «шелушение» поверхности трубы;

- при исследовании различных участков трубы не выявлено различий между

исследованными зонами по микроструктуре, размеру зерна и значениям

микротвердости;

- в процессе подвальцовки и вальцевания происходит интенсивный износ

элементов конструкции вальцовок, что может приводить к увеличенной

глубине подвальцовки и ухудшению качества соединения;

- механическое вальцевание при длине контакта 30 мм и крутящим моменте

Мкр = 12 – 19 Нм обеспечивает усилие сдвига трубы, превышающее

требования ОСТ 26-17-01-83;

- расчеты показали, что при закреплении труб из стали 07Х12НМФБ, в

связи с высокими прочностными свойствами металла, в рабочих органах

100

вальцовки развиваются высокие напряжения, превышающие допустимые

значения. Поэтому при механической вальцовке труб в деталях

теплообменных аппаратов из стали 07Х12НМФБ целесообразно

использовать инструмент с уменьшенной рабочей длиной роликов (lp≈ 17

мм), а после 30 – 40 запрессовок необходимо принудительная смена

вальцовок или их рабочих органов [95].

Установлено, что:

- шероховатость наружной поверхности трубы при вальцевании практически

не изменяется и находится в пределах Ra0,77 … 1,2 мкм;

-шероховатость внутренней поверхности трубы после вальцевания

уменьшается сRa1 – 2,84 мкм до Ra0,8мкм;

-шероховатость поверхности отверстия в ложементе после вальцевания

практически не изменяется (до вальцевания Ra3,84 мкм, после – Ra3,32 мкм).

Исследование микротвердости и остаточных напряжений в наружном

поверхностном слое трубы после гидрораздачи с последующим

механическим вальцеванием показало, что при процессе гидрораздачи с

давлением 3600 МПа воздействие на поверхностный слой трубы и ложемента

проявляется в значительно меньшей степени, чем при запрессовке другими

методами. Уровень остаточных напряжений в наружном поверхностном слое

на глубине более 0,05 мм не превышает 50 МПа. Изменения микротвердости

и шероховатости поверхностного слоя трубы и ложемента незначительны.

101

5 Влияние технологической наследственности на качество поверхностного

слоя трубных соединений оборудования АЭУ

При эксплуатации теплообменного оборудования АЭУ имели место

разрушения перемычек перфорированной зоны коллекторов. В связи с этим

был проведен комплекс исследований поверхностного слоя деталей по всему

технологическому процессу их изготовления.

Установлено, что свойства поверхностного слоя деталей

высоконагруженных конструкций энергоустановок влияют на интенсивность

протекания процессов зарождения микротрещин при коррозионном

воздействии и усталостных разрушениях и во многом определяют ресурс их

работы.

При анализе технологических процессов изготовления ответственных

высоконагруженных деталей необходимо рассматривать всю

последовательность операций формирования поверхностного слоя с учетом

технологической наследственности.

В связи с тем, что при изготовлении трубных соединений производятся

операции сверления, развертывания глубоких отверстий, гидрораздача,

механическое вальцевание необходимо проведение исследований

технологической наследственности при выполнении указанных операций.

Формирование поверхностного слоя при изготовлении деталей на

каждой операции механической обработки имеет свои особенности. При

этом на финишных операциях, когда удаляется тонкий поверхностный слой

металла, существенное влияние могут оказывать предшествующие операции

обработки изделия.

Одним из важнейших показателей качества поверхностного слоя

являются остаточные напряжения, формирующиеся в процессе изготовления

деталей.

102

В работе подробно исследовались остаточные напряжения после

сверления, развертывания глубоких отверстий, гидрораздачи и

механического вальцевания труб [88 – 90].

Анализ результатов исследований показал, что при сверлении глубоких

отверстий в зависимости от режимов резания наблюдается нестабильность в

формировании остаточных напряжений в тонком поверхностном слое. Они

могут отличаться как по характеру, так и по величине (остаточные

напряжения растяжения до +300 МПа и остаточные напряжения сжатия до -

100 МПА) и распространяться на глубину до 0,2 мм (рисунок 5.1).



10ГН2МФА после операции сверления

Для обеспечения технологических требований к глубоким отверстиям

по форме, точности диаметра, качеству поверхностного слоя [83]

применяется финишная операция развертывания отверстий.

Исследования остаточных напряжений после операции развертывания

показали, что при использовании рациональных режимов резания

(до V = 18 м/мин, S = 0,35 мм/об) и упрочняющей развертки формируются

103

остаточные напряжения сжатия, однако при увеличении скорости резания до

80 м/мин в поверхностном слое образуются остаточные напряжения

растяжения (рисунок 5.2)


10ГН2МФА после операции сверления

Для определения припуска на операцию развертывания для

гарантированного удаления слоя с возможными остаточными напряжениями

растяжения проведены измерения остаточных напряжений после операции

развертывания отверстий с припуском 0,1 мм и 0,2 мм. На рисунке 5.3

показано влияние остаточных напряжений в поверхностном слое отверстий с

учетом технологической наследственности.

104


10ГН2МФА после операции сверления и развертывания с

учетом технологической наследственности

105

На основании проведенных исследований установлено, что с учетом

технологической наследственности после сверления глубоких отверстий,

когда в поверхностном слое могут формироваться остаточные напряжения

растяжения, необходимо проведение операции развертывания отверстий на

рациональных режимах резания с обеспечением припуска ~ 0,2 мм,

гарантирующего удаление слоя с остаточными напряжениями растяжения

[88, 92, 93].

С учетом технологической наследственности разработан

(ЦНИИТМАШ и ЗиО-Подольск) и запатентован (патент №2413596) способ

обработки глубоких отверстий, обеспечивающий отвод стружки из зоны

резания без контакта с обработанной поверхностью при сверлении и

развертывании, равномерное удаление заданного припуска при

развертывании с целью гарантированного формирования в поверхностном

слое остаточных напряжений сжатия.

Последующей операцией после сверления и развертывания глубоких

отверстий является закрепление теплообменных труб. Исследовалось

влияние гидравлической раздачи и механического вальцевания труб на

остаточные напряжения в поверхностном слое отверстий.

Гидравлическая раздача проводилась по следующей технологии:

подвальцовка (крутящий момент 2,2 Нм);

1-ягидрораздача (200 МПа);

Удаление ближнего кармана роликовой вальцовкой;

2-я гидрораздача (350МПа).

Механическое вальцевание проводилось на длине 40 мм с крутящим

моментом 9 Нм – 12 Нм.

На рисунке 5.4 приведена эпюра тангенциальных остаточных

напряжений после гидравлической раздачи труб и механического

106

вальцевания. Режимы резания при сверлении – V = 100 м/мин;

Sо = 0,025 мм/об, при развертывании – V = 18 м/мин; Sо = 0,35 мм/об.


1 – после сверления сверлом ВТА, развертывания и гидрораздачи;

2 –после сверления сверлом ВТА, развертывания и механического

вальцевания (Мкр = 9 Нм);

3 –после сверления сверлом ВТА, развертывания и механического

вальцевания (Мкр = 12 Нм)


10ГН2МФА

Отмечено, что после операции гидрораздачи в поверхностном слое

наблюдаются остаточные напряжения сжатия величиной ~ -50 МПа. После

механического вальцевания наблюдаются остаточные напряжения сжатия

величиной от -100 МПа до -350 Мпа в зависимости от величины крутящего

момента.

Анализ результатов исследований после операции сверления и

развертывания показал, что упрочнение поверхностного слоя составляет от

20% – 50% с глубиной залегания до 0,1 мм.

107

После операции гидрораздачи, в исследуемом диапазоне режимов,

существенных изменений микротвердости поверхностного слоя не

наблюдается.

Выводы

На основании анализа результатов исследований установлено:

- после операции сверления нет стабильности в формировании

тангенциальных остаточных напряжений. Напряжения отличаются по

величине и по знаку (от +350 МПа до -100 МПА);

- для гарантированного удаления слоя с остаточными напряжениями

растяжения после сверления необходима операция развертывания, с

удалением припуска

~ 0,2 мм на сторону;

- после закрепления труб методом гидравлической раздачи в поверхностном

слое отверстий формируются остаточные напряжения сжатия до -60 МПа;

- после механического вальцевания остаточные напряжения сжатия в

поверхностном слое составляют -120 МПа – -350 МПа;

- анализ технологической наследственности при обработке глубоких

отверстий и закреплении труб показал, что при рациональном выборе

режимов резания, способов обработки, схем закрепления теплообменных

труб обеспечивается необходимое качество поверхностного слоя деталей

трубных соединений;

- с учетом технологической наследственности разработан (ЦНИИТМАШ и

ЗиО-Подольск) и запатентован (патент №2413596) способ обработки

глубоких отверстий, обеспечивающий отвод стружки из зоны резания без

контакта с обработанной поверхностью при сверлении и развертывании,

равномерное удаление заданного припуска при развертывании с целью

гарантированного формирования в поверхностном слое остаточных

напряжений сжатия.

108

6 Исследование влияния технологии обработки глубоких отверстий на

повреждаемость в коррозионной среде и предел выносливости

6.1 Влияние технологии обработки глубоких отверстий на повреждаемость в

коррозионной среде

Сталь 08Х18Н10Т имеет весьма высокую склонность к хлоридному

растрескиванию под напряжением.

Испытаниям на стойкость к коррозионному растрескиванию (КР) в

описанных выше условиях подвергали следующие виды образцов:

1-ая серия: образцы – «кольца» Ø33 мм, внутреннюю поверхность

которых обрабатывали с различными режимами резания. Уровень

остаточных напряжений составлял от 0 до +300 МПа.

2-ая серия: плоские образцы размером 80 х 10 х 3 мм. Уровень

остаточных напряжений составлял от 0 до +300 МПа. Поверхность плоских

образцов была обработана различными методами:

- шлифование с формированием в поверхностном слое остаточных

напряжений растяжения;

- упрочнение дробью с формированием остаточных напряжений

сжатия;

- шлифование с последующим отжигом (снятие остаточных

напряжений).

Образцы испытывались без внешних нагрузок.

Анализ результатов испытаний показал, что на внутренней

поверхности кольцевых образцов после их испытаний на КР в водных

растворах имелись слои с трещинами коррозионного растрескивания

(рисунок 6.1 – 6.4).

109

Рисунок 6.1 – Образец из стали 08Х18Н10Т после развертывания (V = 5

м/мин; S = 0,15 мм/об) и испытаний в коррозионной среде



110





111

Трещины инициируются с внутренних поверхностей образцов типа

«кольцо», имеющих остаточные напряжения растяжения и контактирующих

с коррозионной средой.

Трещины, как правило, ориентированы под углом - 30° к поверхности.

Трещины разветвлены, разрушение многоочаговое, развитие трещин

имеет транскристаллитный характер, свойственный для процессов

коррозионного растрескивания аустенитных нержавеющих сталей в

хлоридсодержащих средах.

Трещины наблюдаются во всем исследуемом интервале значений

остаточных напряжений от +50 МПа до +300 МПа.

Трещины концентрируются в очень тонком слое, по-видимому,

ограниченной глубиной распространения остаточных напряжений

растяжения, вызванных механической обработкой.

Результаты сравнительных испытаний на стойкость к КР, как функции

состояния поверхности по наличию, характеру и величине остаточных

напряжений и условий дополнительных нагружений получены при выдержке

образцов в «ускоренном» растворе.

Термообработка для снятия остаточных напряжений была проведена по

режиму – 650°С, нагрев 1,5 часа, выдержка 2 часа, остывание с печью.

Испытание этих образцов осуществляли при нагружении изгибом (в

«скобе») с напряжениями на поверхности +300 МПа.

Металлографический анализ состояния поверхности образцов после

испытаний на КР в «ускоренном» растворе показал следующее:

- на поверхности шлифованных образцов при наличии остаточных

напряжений растяжений имеются множественные весьма неглубокие

трещины, ориентированные в поперченном направлении (рисунок 6.5);

112

а) б)

а, б – участки шлифованных поверхностей

Рисунок 6.5 – Шлифованная поверхность образцов (без последующей

термообработки) после испытаний в коррозионной среде без

внешнего нагружения

- поверхность образцов, подвергнутых шлифованию с последующей

термообработкой для снятия напряжений, не имеет массового поражения

трещинами КР, но наблюдаются мелкие участки округлой формы

повышенной травимости (рисунок 6.6 а); отсутствие трещин при испытании

этих образцов отчетливо прослеживается при анализе торцевой зоны

образцов(рисунок 6.6 б);

113

а)

б)

а – вид плоскости образца; б – вид с торца образца

Рисунок 6.6 – Шлифованная поверхность термообработанных образцов,

испытанных без внешней нагрузки

- на поверхности образцов, подвергнутых наклепу (в поверхностном

слое сформированы остаточные напряжения сжатия), трещин КР, как и

следовало ожидать, не обнаруживается (рисунок 6.7);

114

а б

в

а, б – плоскость; в – торец

Рисунок 6.7 – Образцы с поверхностным наклепом (шлифование + отжиг +

наклеп)

- что касается поверхности образцов, испытанных на стойкость к КР в

«ускоренном» растворе при извне приложенном напряжении ~ 350 МПа, то

они имеют множественные поражения трещинами коррозионного

растрескивания под напряжением (рисунок 6.8); поверхностные трещины

переходят и вглубь металла (видны в торцевой зоне образцов).

115

а

б

а, б – участки плоскости образцов

Рисунок 6.8 – Характерные трещины КР на поверхности образцов при

напряжении > 300 МПа после коррозионных испытаний в

«ускоренном» растворе

Результаты выполненных исследований по оценке влияния технологии

обработки глубоких отверстий в стали 08Х18Н10Т на стойкость к КР в

водных растворах, содержащих хлорид ион, позволяют констатировать:

- аустенитная нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, обладающая высокой

склонностью к КР, проявляет эту склонность в поверхностях, имеющих

остаточные напряжения растяжения;

116

- на поверхности образцов, подвергнутых наклепу (в поверхностном

слое сформированы остаточные напряжения сжатия), трещин КР, как и

следовало ожидать, не обнаруживается.

Резюмируя данные макро-микроанализа, характера интенсивности

распространения трещин КР в аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т

при испытании в хлоридсодержащих растворах, можно однозначно

заключить, что снижение остаточных напряжений растяжения в металле

позволяет существенно увеличить время до разрушения.

При наличии остаточных напряжений растяжения термическая

обработка (отжиг), существенно снижает склонность к КР. Методы

обработки, создающие в поверхностном слое остаточные напряжения

сжатия, практически исключает инициирование и развитие повреждений по

механизму КР.

Применительно к стали 08Х18Н10Т существенное повышение

стойкости к КР в хлоридсодержащих средах в зоне обработки глубоких

отверстий можно достигнуть обработкой, обеспечивающей формирование в

поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

6.2 Влияние технологии обработки глубоких отверстий на предел

выносливости

Обработка отверстий в корпусе коллектора в зависимости от

используемого инструмента и режимов резания может приводить к разному

по интенсивности и глубине изменению структуры и механических свойств

материала, величине и распространению остаточных напряжений, различной

шероховатости поверхности. Эти факторы влияют на развитие коррозионно-

усталостных повреждений деталей /81/.

Коррозионно-усталостные испытания проводили на образцах №1 – №5

обработанных по различным технологическим вариантам. Режимы резания,

117

параметры шероховатости поверхности отверстий, уровень остаточных

напряжений, число циклов до появления усталостной трещины или до

разрушения образца приведены в таблице 6.1.

Как видно из таблицы, уровень остаточных напряжений варьируется в

широких пределах: от +200 до –200 МПа, шероховатость поверхности

Ra = 0,3 ÷ 5,7 мкм.

На рисунке 6.9 представлена расчетная кривая усталости для стали

10ГН2МФА [82] и экспериментальные данные по коррозионно-усталостной

прочности образцов, изготовленных по разным технологическим режимам.

118

Таблица 6.1 – Результаты испытаний образцов на коррозионно-усталостную прочность

Тех

нологи

чес

ки

й

вар

иан

т

Режимы резания Финишная

обработка

отверстий

Шероховатость

поверхности

Ост

аточн

ые

нап

ряж

ени

я

Ϭост

, М

Па

Число циклов до появления

коррозионно-усталостной

трещины

* до разрушения образца Сверление Развертывание Ra,

мкм

Rmax,

мкм Скорость

резания

V, м/мин

Подача

Sо, мм/об

Скорость

резания

V, м/мин

Подача

Sо, мм/об

1 100 0,03 18 0,3 – 0,35 3,4 10 150 251300 – трещина с

внутренней стороны

2 100 0,03 8 0,3 – 0,35 5,7 18 -50 121100*

129000*

3

100

0,03

77

0,3 – 0,35

1,5 6,3

200

495000 - множественные

трещины в зоне

максимальных напряжений

228230* - разрушение по

продольной риске на

наружной поверхности

перемычки

4 100 0,03 8 0,3 – 0,35 Ручная притирка

поверхности

отверстий

0,95 - 200 737000 – - множественные

трещины в зоне

максимальных напряжений

5 62 0,05 7,2

7,2

0,15

0,15

Раскатка 0,3 ÷

0,4

- -100 ̶

-200

1115400* - 2-ой образец,

разрушение с наружной

стороны перемычки

(имеются одиночные

неглубокие кольцевые

риски)

V=7,2

м/мин

Sо=0,15

мм/об

119

Технологические варианты: ○–1; ◊– 2; Δ–3;▲–4,●–5

Рисунок 6.9 – Расчетная кривая усталости стали 10ГН2МФА и экспериментальные точки коррозионно-усталостного

разрушения образцов

1

10

100

1000

10000

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

σ, МПа σ, МПа

N, количество

циклов

Сопоставление экспериментальных данных с расчетной кривой

усталости по нормам ПНАЭ Г-7-002-86 /82/ позволяет оценить влияние

технологических режимов на коррозионно-усталостную прочность материала

коллектора. Как видно из графика (см. рисунок 6.9), экспериментальные

точки исследуемых технологических вариантов лежат выше расчетной

кривой, при этом обеспечивается необходимый запас прочности по

напряжениям и числу циклов в соответствии с требованиями «Норм расчета

на прочность ПНАЭ Г-7-002-86».

Следует также отметить, что при усталостных испытаниях образцы

помимо разного уровня остаточных напряжений отличались по

шероховатости поверхности и степени наклепа, что в свою очередь вносит

существенные коррективы в результаты испытаний.

Лучший результат получен при наличии остаточных напряжений

сжатия (-100 – -200 МПа), однако следует учитывать, что большой разброс

обусловлен шероховатостью и наличием рисок – концентраторов

напряжений на поверхности.

Анализ данных позволяет определить общие тенденции влияния

параметров качества поверхностного слоя изделия на коррозионно-

усталостную прочность.

Изменение уровня усталостных напряжений разрушения при

изменении уровня остаточных напряжений от (-100 ÷ -200) до (+150 ÷ +200)

приводит к значительному (более чем 2х кратному) снижению количества

циклов до разрушения.

В то же время следует учитывать существенное влияние

шероховатости поверхности на усталостную прочность.

В данном случае оценка шероховатости по Ra может служить лишь

условной величиной, характеризующей рельеф поверхности, так как

121

измерение шероховатости проводилось в направлении, перпендикулярном

действующим напряжениям. Наиболее сильное влияние на усталостную

прочность оказывают шероховатость поверхности и риски, расположенные

параллельно оси отверстия. Наличие неглубокой риски параллельно оси

отверстия на одном из образцов существенно снизило количество циклов до

разрушения (~ в 2 раза).

Снижение числа циклов до разрушения при испытаниях в

коррозионной среде наблюдается как при большой величине остаточных

напряжений растяжения, так и при увеличенной шероховатости поверхности.

Несмотря на то, что образцы, изготовленные по всем вариантам

технологии обработки отверстий, показали результаты по усталостной

прочности выше допустимых расчетных величин. Следует не допускать в

поверхностном слое больших остаточных напряжений растяжения и

шероховатости более Ra 4 мкм.

6.3 Выводы

Результаты исследований влияния технологии обработки глубоких

отверстий в стали 08Х18Н10Т на стойкость к коррозионному расследованию

в водных растворах позволяют констатировать следующее:

- аустенитная нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, обладающая высокой

склонностью к коррозионному растрескиванию, проявляет эту склонность в

поверхностях, имеющих остаточные напряжения растяжения;

- снижение остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое

позволяет существенно увеличить время до разрушения деталей из стали

08Х18Н10Т;

- на образцах с остаточными напряжениями сжатия в поверхностном слое,

трещин КР, как и следовало ожидать, не обнаруживается;

- термическая обработка (отжиг) существенно снижает склонность к КР (при

наличии остаточных напряжений растяжения). Методы обработки,

122

создающие в поверхностных слоях напряжения сжатия, практически

исключают инициирование и развитие повреждений по механизму КР;

- применительно к стали 08Х18Н10Т существенное повышение стойкости к

КР в хлоридсодержащих средах в зоне обработки глубоких отверстий можно

достигнуть обработкой, обеспечивающей формирование в поверхностном

слое остаточных напряжений сжатия.

Анализ результатов испытаний на усталостную прочность позволяет

сделать следующие выводы:

- экспериментальные точки исследуемых технологических вариантов лежат

выше расчетной кривой, при этом обеспечивается необходимый запас

прочности по напряжениям и числу циклов в соответствии с требованиями

«Норм расчета на прочность ПНАЭ Г-7-002-86».

- несмотря на то, что образцы, изготовленные по всем вариантам технологии

обработки отверстий, показали результаты по усталостной прочности выше

допустимых расчетных величин, следует не допускать в поверхностном слое

высоких остаточных напряжений растяжения и шероховатости более

Ra 4 мкм.

123

7 Разработка и внедрение рекомендаций по обеспечению качества

поверхностного слоя глубоких отверстий в деталях трубных соединений

теплообменного оборудования АЭУ

На основании выполненных исследований качества поверхностного слоя

разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов резания для

обработки глубоких отверстий на станках 2ВW500-3-1000 фирмы «ТВТ» и

НТВ-IIIWE фирмы «КOLB» в деталях теплообменного оборудования АЭУ.

Рекомендации разработаны для типовых марок обрабатываемых

материалов, использующихся в атомной промышленности: 10ГН2МФА,

09Г2С, 10Х2М-ВД, 22К.

Для сверления рекомендуются сверла с внутренним отводом стружки

типа ВТА, оснащенные напайными или сменными твердосплавными

пластинами с одним или двумя стружкоделителями и стружколомным

порожком.

Рекомендуются режимы резания при сверлении глубоких отверстий

инструментом типа ВТА следующие:

- скорость резания V от 70 до 100 м/мин;

- подача S0 от 0,02 до 0,03 мм/об.

При развертывании разверткам БРС:

- скорость резания V до 18 м/мин;

- подача S0 до 0,3 мм/об.

При сверлении сверлами ВТА со сменными твердосплавными

пластинами со стружкоделителями и стружколомными порожками:

- скорость резания V от 50 до 60 м/мин;

- подача S0 до 0,09 мм/об;

Учитывая, что глубина залегания напряжений растяжения, которые

могут возникать после сверления, не превышает 0,15 – 0,2 мм, для

124

гарантированного удаления слоя с остаточными напряжениями растяжения

следует назначить припуск на развертывание до 0,4 мм (0,2 мм на сторону).

В качестве СОЖ рекомендуется использовать жидкость на масляной

основе МР3К, не содержащую соединений хлора. СОЖ подается в зону

резания под давлением Р = 6 МПа; расход жидкости составляет ≈ 60 л/мин.

С целью снижения трудоемкости и повышения качества

обрабатываемых отверстий (обеспечения в поверхностном слое остаточных

напряжений сжатия) в деталях теплообменного оборудования АЭУ

рекомендуется применять разработанный в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» и

ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и запатентованный

способ обработки отверстий (патент №2413596) [39].

Рациональные режимы закрепления труб в планируемой к выпуску

энергоустановки БН-1200:

- подвальцовка труб (длина контакта 5 мм) – обороты веретена n ≤ 400

об/мин; крутящий момент от 8 Нм до 10 Нм;

- вальцевание (длина контакта 30 мм) – обороты веретена n ≤ 400 об/мин;

крутящий момент от 12 Нм – 19 Нм;

-гидрораздача – давление 3600 МПа.

Для парогенераторов типа ПГВ-1000М: подвальцовка L ≤ 6 мм; n ≤ 400

об/мин; крутящий момент ≤ 2,4 Нм; промежуточное вальцевание n ≤ 400

об/мин; крутящий момент 2,4; довальцовка n ≤ 400 об/мин; крутящий момент

2,94 – 3,92 Нм.

При разработке технологического процесса изготовления трубных

соединений теплообменного оборудования необходимо учитывать

технологическую наследственность при выполнении цикла операций

включающего сверление, развертывание глубоких отверстий и закрепления в

них теплообменных труб.

Применение разработанных рекомендаций позволяет повысить

производительность изготовления трубных соединений до 3-х раз с учетом

125

технологического обеспечения качества поверхностного слоя глубоких

отверстий (формирование остаточных напряжений сжатия) в соединениях

труба – коллектор и труба – трубная доска АЭУ.

Разработанные рекомендации используются на производстве ОАО

«Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и «Атоммаш» при

изготовлении коллекторов парогенераторов, трубных досок подогревателей

высокого и низкого давления, подогревателей сетевой воды энергоблоков

ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-600, БН-800.

126

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании результатов комплексных исследований влияния

технологии изготовления и технологической наследственности на качество

поверхностного слоя соединений труба-коллектор, труба-трубная доска

решена важная научно-техническая задача повышения качества

теплообменного оборудования АЭУ.

1. Установлены основные закономерности формирования поверхностного

слоя с учетом технологической наследственности по всему

технологическому циклу изготовления деталей соединений труба-коллектор,

труба-трубная доска теплообменного оборудования из различных

конструкционных материалов.

2. Исследования операций сверления сверлами с наружным и внутренним

отводом стружки показали, что в зависимости от режимов обработки, марки

обрабатываемого материала и инструмента в поверхностном слое могут

формироваться как остаточные напряжения сжатия, так и напряжения

растяжения различной величины с глубиной распространения до 0,2 мм.

3. На формирование поверхностного слоя на операции развертывания

наиболее существенное влияние оказывают скорость резания, подача и

геометрические параметры инструмента. Повышение скорости резания

(более 20 м/мин) и подачи (более 0,35 мм/об) приводит к формированию

высокого уровня остаточных напряжений растяжения. Для формирования

поверхностного слоя с гарантированным высоким уровнем остаточных

напряжений сжатия следует ограничивать скорость резания до 20 м/мин или

применять инструмент с «упрочняющей» геометрией режущей части.

4. На операции развертывания для снижения вероятности сохранения в

поверхностном слое остаточных напряжений растяжения, получаемых после

операции сверления, следует предусмотреть припуск 0,2 мм.

127

5. Гидрораздача труб при давлениях 3600 МПа существенно не изменяет

эпюру напряжений в поверхностном слое отверстий и шероховатость

контактирующих поверхностей трубного соединения.

6. Механическое вальцевание трехроликовыми раскатками с роликами

длиной 30 мм при крутящем моменте 12 – 19 Нм обеспечивает необходимый

уровень усилия сдвига (более 600 кг) и создает в поверхностном слое

глубоких отверстий напряжения сжатия.

7. Выявлены закономерности влияния остаточных напряжений на

стойкость к коррозионному растрескиванию (КР) стали 08Х18Н10Т в водных

растворах, содержащих хлорид ион. Аустенитная нержавеющая сталь

08Х18Н10Т проявляет склонность к коррозионному растрескиванию

поверхностей, имеющих остаточные напряжения растяжения. Снижение

остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое позволяет

увеличить время до разрушения. Термическая обработка (отжиг),

устраняющая остаточные напряжения растяжения, существенно снижает

склонность этой стали к КР. При наличии остаточных напряжений сжатия в

поверхностном слое КР не происходит.

8. Разработку технологического процесса изготовления трубных

соединений теплообменного оборудования требуемого качества необходимо

проводить с учетом технологической наследственности операций сверления,

развертывания глубоких отверстий и закрепления в них теплообменных труб.

При рациональном выборе методов обработки, режимов резания, способов

закрепления теплообменных труб обеспечивается необходимое качество

поверхностного слоя деталей трубных соединений и их эксплуатационные

свойства.

9. С учетом технологической наследственности разработан и

запатентован (патент №2413596 ЦНИИТМАШ и ЗиО-Подольск) способ

обработки глубоких отверстий, обеспечивающий стабильное базирование,

128

центрирование сверл и разверток, отвод стружки из зоны резания без

контакта с обработанной поверхностью при сверлении и развертывании,

равномерное удаление заданного припуска при развертывании с целью

гарантированного формирования в поверхностном слое остаточных

напряжений сжатия.

10. Для изготовления трубных соединений АЭУ рекомендуется

технологический процесс, обеспечивающий формирование в поверхностном

слое остаточных напряжений сжатия и включающий:

- глубокое сверление сверлами с внутренним или наружным отводом

стружки на режимах V = 80 – 100 м/мин, S = 0,025 – 0,04 мм/об с подачей

СОЖ МР3К под давлением 6 МПа с припуском под развертывание 0,2 мм;

- развертывание на режимах V до 20 м/мин, S до 0,35 мм/об;

- закрепление труб с помощью гидрораздачи и механического вальцевания.

11. Для проведения исследований в «ЦНИИТМАШ» созданы установка

для определения остаточных напряжений в поверхностном слое и

специальный стенд для исследования процесса закрепления труб методом

механического вальцевания.

12. Результаты исследований используются на ОАО

«Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и «Атоммаш» при

проектировании технологических процессов и изготовлении теплообменного

оборудования АЭУ ВВЭР-1000, БН-600, БН-800.

129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кирсанов С.В. Обработка глубоких отверстий в машиностроении. –М.:

Машиностроение, 2009. –296 с.; ил.

2. Кожевников Д.В. Современная технология и инструмент для обработки

глубоких отверстий: Обзор. –М.: НИИМАШ, 1981. -60с.

3. Минков М.А. Технология обработки глубоких точных отверстий. –М.-Л.:

Машиностроение,1965. -176 с.

4. Обработка глубоких отверстий / Н.Ф. Уткин, Ю.И. Кижняев, С.К.

Плужников и др.; Под общ. Ред. Н.Ф. Уткина. –Л.: Машиностроение, 1988. -269 с.

5. Троицкий Н.Д. Глубокое сверление. –Л.: Машиностроение, 1971. –176 с.

6. Шашков В.П. Устройство для сверления глубоких отверстий в трубных

решетках титановых теплообменников // Химическое и нефтегазовое

машиностроение, 1997, №5. – С. 44-45.

7. Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кокарев В.И.

Инструменты для обработки точных отверстий. – М., Машиностроение, 2003, -

329 с.

8. Вольшонок З.С., Винальева Н.П. Совершенствование процессов

глубокого сверления и глубокой расточки отверстий в тяжелом

машиностроении. - Обзор. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1988. - 48 с.

9. Копейкин В.А. Повышение прочности инструмента для глубокого

вибрационного сверления отверстий малого диаметра. - Дис. …канд. техн.

наук. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2003. – 162 с.

10. Серебреницкий П.П. Инструмент для глубокого сверления. «РИТМ»,

2009. №10 (48) с. 47-51

130

11. Серебреницкий П.П. Сверление глубоких отверстий. «РИТМ», 2009.

№9 (47) с. 11-14

12. фирма «BOTEKPräzisionbohrtechnicGmbh», Каталог. (www.botek.de),

2009

13. Кожевников Д.В. Кольцевое сверло для сверления отверстий

больших диаметров в листовых деталях. Известия Томского

политехнического университета [Известия ТПУ] /Томский политехнический

университет (ТПУ). 2002. -Т. 305, -№1. с. 206-208

14. Юдовин Л.Г. Исследование шнековых сверл при сверлении глубоких

отверстий . – «Материалы Всесоюзного совещания по спиральным сверлам»,

М., ,НИИМАШ,1964, с. 174-179.

15. Масарновский В.И. и др. Высокопроизводительный режущий и

вспомогательный инструмент для автоматизированного производства.

Минск, ИНТИП, 1965. 63 с.

16. Кущева М.Е. Исследование процесса сверления глубоких отверстий

малого диаметра в труднообрабатываемых материалах. – Дисс. канд. техн.

наук, - Москва: НПО ЦНИИТМАШ, 1978. –221 с.

17. Диннебир Ю. Сверление, развертывание и зенкование / Ред. и

дополнения П.В. Кондратьева. –М.: ОНТИ НКТП СССР, 1934. -196 с.

18. Кокарев В.И. Создание и исследование системы виброэжекторного

сверления, повышающей эффективность обработки глубоких отверстий. –

Дис. …докт. техн. наук. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1995. – 397 с.

19. Терехов В.М. Исследование состояния поверхностного слоя

глубоких отверстий в деталях ответственных теплообменных аппаратов. -

М.: Технология машиностроения, 2001, № 3, с. 41-45.

131

20. Фирма GÜHRING, Каталог (www.guhring.com), 2009

21.Фирма «SANDVIKCoromant», Каталог. (www.coromant.sandvik.com),

2009

22. Бескровный А.М. О расположении направляющих планок сверл

одностороннего резания.// Резание и инструмент. 1984. Вып. 31. с. 99-103.

23. Особенности проектирования и эксплуатации сверл для глубокого

вибрационного сверления / В.А. Гречишников, В.И. Кокарев, Г.Е. Громов,

Е.А. Копейкин, А.Ю. Цыбульский // 4-ая научная конференция МГТУ

«СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования

МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН»: Сб. тезисов докладов. – М.: Изд-во

«Станкин», 2001. – с. 83.

24. Карсунцев А.И. Повышение точности отверстий за счет

рационального врезания инструментов одностороннего резания. Автореферат

дис…канд. техн. наук.- Челябинск: ЧГТУ, 1997. – 21 с.

25. Поповская Е.В. Исследование процесса размерной обработки

глубоких отверстий в деталях теплообменной аппаратуры атомных

электростанций с применением АСУ: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М.,

1979. - 25 с.

26. Твердосплавные сверла одностороннего резания с внутренним

подводом СОЖ. Методические рекомендации. – М.: ВНИИинструмент,

1984.– 43 с.

27. Терехов В.М. Технологические основы обеспечения качества

глубоких отверстий и соединений теплообменных труб с трубными

решетками и коллекторами аппаратов атомных энергоустановок. – Дис.

…докт. техн. наук, Подольск: ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-

Подольск», 2006. – 476 с.

132

28. Захаров Н.В., Мельниченко А.А., Бескровный А.Н. Повышение

точности обработки и стойкости инструмента при сверлении глубоких

отверстий. //«Вiсник Сумського державного унiверситету». – Сумы, 1995.

№3, с. 46-49.

29. Пашовкин С.А. Повышение эффективности глубокого сверления

управлением топологией направляющих сверла. - Дис. …канд. техн. наук.

Липецк: 2009. -169 с.

30. Терехов В.М. Исследование влияния технологических факторов на

микро- и макрогеометрию и деформационное упрочнение поверхностного

слоя глубоких отверстий. - М.: Машиностроитель, 2000, № 7, с. 15-17.

31.Отчето НИР №261/14. Исследовать влияние технологии изготовления

отверстий в коллекторах парогенератора ПГВ-1000У на качество

поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики. – Москва: ГНЦ

РФ НПО по технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ), 1996. - 127 с.

32. Отчет о НИР №27.14.19.25-2010. Совершенствование технологии и

инструмента для обработки глубоких отверстий в коллекторах

парогенератора и трубных досках подогревателей высокого давления

энергоблоков ВВЭР-1000 применительно к станкам фирмы ТВТ. – Москва

ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», 2010. -93 с.

33. Фирма ISCAR Каталог. (www.iscar.ru), 2010

34. Фирма AMEC Каталог. (www.alliedmaxcut.com), 2010

35. Фирма American Heller Corporation Каталог.

(www.americanheller.com), 2010.

36. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с

износостойкими покрытиями. –М.: Машиностроение, 1986. -192 с.

http://www.alliedmaxcut.com/

http://www.americanheller.com/

133

37.Овсеенко А.Н., Клауч Д.Н., Кирсанов С.В., Максимов Ю.В.

Формообразование и режущие инструменты: учебное пособие / под ред. А.Н.

Овсеенко. – М.: ФОРУМ, 2010. – 416 с.: ил. – (Высшее образование).

38. Белоусов В.П. Технологическое обеспечение качества прессовых

соединений труб с трубными решетками и коллекторами теплообменных

аппаратов. – Дисс. канд. техн. наук, Москва: Машиностроительный завод

«ЗиО-Подольск», 2003. –195 с.

39. Патент №2413596. Способ обработки глубоких сквозных отверстий. /

Клауч Д.Н., Терехов В.М., Могутов И.В., Ягуткин Е.Г., Кущева М.Е. -

2009140424, Заявл. 03.11.2009, Опубл.10.03.2011, Бюл. № 7.

40. Юзик С.И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах. –

Л.: Судостроение, 1978. – 143 с.

41. Закрепление труб в трубных решетках и коллекторах / Кравец М.П.,

Саньков Н.И., Парахин В.К. и др. // Технология, организация производства и

управления – НИИЭинформэнергомаш, 1981, №5, - 36 с.

42. Мазуровский Б.Я. Особенности электроимпульсной раздачи и

запрессовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов // Кузнечно-

штамповое производство,1979, №11, с. 13-15.

43. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные

методы обработки металлов. – Л.: Машиностроение, 1975, - 280 с.

44. Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание

аустенитных нержавеющих сталей. - М.: Металлургия, 1976. - 161 с.

45. Кравченко Б.А., Круцило В.Г., Гутман Г.Н. Термопластическое

упрочнение – резерв повышения прочности и надежности деталей машин. –

Самара: Сам. ГТУ, 2000. – 216 с.

134

46. Эванс Ю.Р. Коррозия, пассивность и защита металлов: Пер. с англ. /

Под ред. Г.В. Акимова. – М.: 1941. – 885 с.

47. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и

эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. -

240 с.

48. Овсеенко А.Н., Хватов Б.Н., Зайцев Г.З. Состояние поверхностного

слоя и коррозионная усталость гидротурбинной стали 06Х12Н3Д. - М.:

Машиностроение. - 1982. - №4. - С.22-24.

49. Хватов Б.Н., Овсеенко А.Н. Устойчивость параметров состояния

поверхностного слоя при коррозионно-усталостных испытаниях. - В сб.:

Размерный анализ и статистические методы регулирования точности

технологических процессов: Тез. докл. республ. научн.-техн. конф., 21-23

сент. 1981 г. - Запорожье, 1981. - С.141-142.

50. Похмурский В.И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и

методы ее повышения. – Киев, 1974. - 187 с.

51. Рябченков А.В. Коррозионно-усталостная прочность стали. –

М.,1953.– 179 с.

52. Овсеенко А.Н., Рабинович В.П., Белолипецкий Ю.П.

Технологические методы повышения эксплуатационных свойств деталей

машин, работающих в агрессивных средах. – Тез. докл. науч.-техн. конф.,

«Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса

России», М.: 1994, с.237.

53. Алексеев С.Ю., Гатин А.Ю., Гречишников В.А. и др. Обработка

отверстий в труднообрабатываемых материалах сверлами специальных

конструкций. – М.: СТИН, 2004, №4. – С. 28-32.

135

54. Кулькин С.В., Денин Н.И. Анализ уводов при сверлении сверлами

одностороннего резания. – В сб.докладов 58-ой научно-технической

конференции проф. – препод. Состава, аспирантов и студентов Алт. ГТУ им.

Н. Ползунова. – Барнаул: 2000. – Изд-во Алт. ГТУ, ч. 1. – 53 с.

55. Левченко А.И., Тараненко В.А., Назаренко Д.В. Определение

оптимальных режимов обработки глубоких отверстий // IV-ый

Международный конгресс «Констр.-технологич. информатика 2000» - М.:

2000, КТИ: Тр. Конгр. Т2. – С. 27-28.

56. Водопьянов А.В. Расчет размеров стружколомающих порожков у

сверл для глубокого сверления // Известия Томского политехнического

института, 1968, Т.158. – С. 114-116.

57. Гольдрайх Г.М., Джугурян Т.Г., Капительман Л.В. Станки для

глубокого сверления // Техника машиностроения, 1996, №3 (9). – С. 39-41.

58. Драгун А.П. Режущий инструмент. Л.: Лениздат, 1986. – 271 с.

59. Кириллин Б.Н. Вибрационное сверление ружейными сверлами //

Станки и инструмент, 1968, №5. – С. 22-24.

60. Кирсанов С.В. Исследование процесса глубокого сверления стали

эжекторными сверлами: Дис. на соискание степени канд. техн. наук. – Томск:

ТПИ, 1980. – 117 с.

61. Кирсанов С.В. Некоторые особенности сверления глубоких

отверстий мелкоразмерными ружейными сверлами // Справочник.

Инженерный журнал, №5 (122), 2007. – С. 40-41.

62. Кирсанов С.В. Смазочно-охлаждающие технологические средства,

применяемые при обработке глубоких отверстий // Справочник. Инженерный

журнал, №6 (51), 2001. – С. 5-7.

136

63. Кирсанов С.В. Современные конструкции инструментов для

сверления и растачивания глубоких отверстий // Справочник. Инженерный

журнал, № 2 (95), 2005. – С. 46-53.

64. Клауч Д.Н. и др. Метод и устройство для определения остаточных

напряжений в образцах и трубах малого диаметра // Технология

машиностроения» №2, 2011.

65. Кононенко С.Г. Обработка глубоких отверстий. М.:

Машиностроение, 1964. – 41 с.

66. Кущева М.Е. и др. Влияние температуры при обработке глубоких

отверстий резанием на содержание вредных компонентов в смазочно-

охлаждающих жидкостях на масляной основе // Химия и технология топлив

и масел, 2010.

67. Липатов А.Н. Глубокое сверление на станках с ЧПУ // Станки и

инструмент, 1991, №5 . – С. 29-31.

68. Литвинов Л.П. Вибросверление глубоких отверстий // Вестник

машиностроения, №5, 1990. – С. 22-24.

69. Малиновский Г.Т. Масляные смазочно-охлаждающие жидкости для

обработки металлов резанием. Свойства и применение. М.: Химия, 1993. –

160 с.

70. Мальцев О.С., Коган М.Л., Петухов В.К., и др. Сверла глубокого

сверления Ø1-14 мм, оснащенными цельными твердосплавными

наконечниками // Твердые сплавы и тугоплавкие материалы. Сб. трудов

ВНИИТС. №14. М.: Металлургия, 1973. – С. 110-114.

71. Окубо Т. Прецизионная обработка глубоких отверстий по методу

БТА // Кикай то когу, 1966, т.10, №10. – С. 8-18.

137

72. Кущева М.Е. и др. Определение молекулярного состава смазочно-

охлаждающих жидкостей (СОЖ) на масляной основе хромато-масс-

спектрометрическим методом // Оборудование и технологии для

нефтегазового комплекса, №5, 2010.

73. Перескоков А.И. Изготовление сверлильных головок типа БТА //

Машиностроитель, 1981, №7. – С. 28-29.

74. Применение способа глубокого сверления с эжекторным отводом

стружки на специальном и универсальном модернизированном

оборудовании. Методические рекомендации. М.: НИИМАШ, 1984. – 53 с.

75. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки

металлов резанием: Справочник / Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М.

Берлинера. М.: Машиностроение, 1995. – 496 с.

76. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение

при обработке резанием: Справочник / Л.В. Худобин, А.П. Бабичев, Е.В.

Булыжев и др. / Под общ. Ред. Л.В. Худобина. М.: Машиностроение, 2006. –

544 с.

77. Твердосплавные сверла одностороннего резания с внутренним

подводом СОЖ. Методические рекомендации по конструированию,

технологии изготовления и эксплуатации. М.: ВНИИ, 1981. – 68 с.

78. Терехов В.М. Технологические основы обеспечения качества

глубоких отверстий и соединений теплообменных труб с трубными

решетками и коллекторами аппаратов атомных энергетических установок:

Автореф. дисс. на соискание степени д-р техн. наук, 2006.

79. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения /

А.Н. Овсеенко, Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева. М.: Изд. центр МГТУ «Станкин».

– 118 с.

138

80. Технология и свойства спеченных тевердых сплавов и изделий из

них. / В.С. Панов, А.М. Чувилин. М.: МИСиС, 2001. – 428 с.

81. Карпенко Г.В. Работоспособность конструктивных материалов в

агрессивных средах. Том 2. Избранные труды. Киев.: Наукова думка., 1985.

240 с.

82. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов

атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86. М., Энергоатомиздат.

1989. 525 с.

83. Могутов И.В. Повышение производительности обработки глубоких

отверстий в трубных решетках и коллекторах теплообменных аппаратов для

АЭС. – Диссертация на соискание ученой степени кандидата техн. наук,

Подольск: ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», 2013. – 169с.

84. Szepannek G., Raabe N., Webber O., and Weihs C. Prediction of

Spiralling in BTA Deep-Hole Drilling – Estimating the System’s

Eigenfrequencies. Technical Report №2006,19, SFB 475, University of Dortmund,

2006.

85. Pfleghar F. Aspekte zur konstruktiven Gestaltung von

Tiefbohrwerkzeugen // Werkstatttechnik, 1997. V. 67, ¹4, S. 211-218.

86. S. J. Torabi Improved version of BTA deep-hole drilling tools with

staggered disposable carbide inserts. // Concordia University Montreal, Quebec,

Canada, 1990. -132 с.

87. Messaoud A., Theis W., Weihs C., and Hering F. Monitoring of the BTA

Deep Hole Drilling Process Using Residual Control Charts. Technical Report

№2004,60, SFB 475, University of Dortmund, 2004.

88. Дуб В.С., Кобелев О.А., Клауч Д.Н., Кущева М.Е., Ягуткин Е.Г.

Технологическая наследственность при изготовлении трубных соединений

139

теплообменного оборудования атомных энергетических установок //

«Тяжелое машиностроение» №8, 2014, с. 2-4.

89. Ягуткин Е.Г., Кондратенко Л.А., Гунин А.В., Могутов И.В.

Исследование процессов обработки глубоких отверстий и закрепления труб в

деталях теплообменного оборудования АЭУ // Известия МГТУ «МАМИ»:

№1(19). – М.:МГТУ «МАМИ», 2014. – с.103-107.

90. Могутов И.В., Клауч Д.Н., Ягуткин Е.Г. Особенности обработки

глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратов, применяющихся в

энергетическом машиностроении // Журнал "Технология Машиностроения":

№7,2013, с. 16-18.

91. Могутов И.В., Кущева М.Е., Ермолаева Н.В., Ягуткин Е.Г.,

Голубков Ю.В. Исследование смазочно-охлаждающих жидкостей для

обработки глубоких отверстий // Научно-технический журнал

«Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса» №6, 2011, с. 31-

32.

92. Клауч Д.Н., Терехов В.М., Могутов И.В., Кущева М.Е.,

Ягуткин Е.Г. Совершенствование технологии обработки глубоких отверстий

в деталях теплообменных аппаратах АЭУ // Сборник тезисов выступлений

участников конференции «Инновационные материалы и технологии для

атомного, энергетического и тяжелого машиностроения» – М.: ГНЦ РФ ОАО

НПО «ЦНИИТМАШ»,2011. – с. 27-28.

93. Клауч Д.Н., Овсеенко А.Н., Кущева М.Е., Ягуткин Е.Г., Носов Д.П.

Обеспечение качества поверхностного слоя деталей энергомашиностроения

при механической обработке // Сборник тезисов выступлений участников

конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного,

энергетического и тяжелого машиностроения» – М.: ГНЦ РФ ОАО НПО

«ЦНИИТМАШ»,2011. – с. 55-56.

140

94. Овсеенко Е.С., Овсеенко А.Н., Ягуткин Е.Г. Методы определения

технологических остаточных напряжений в деталях малой жесткости //

Научно-технический журнал «Прогрессивные технологии

машиностроительных производств»: Отдельные статьи Горного

информационно-аналитического бюллетеня. – 2011. – № 12. – М.:

издательство «Горная книга» -с. 29-32.

95. Кондратенко Л.А., Винников В.С., Щегольков Н.Н., Ягуткин Е.Г. О

причине обрыва корпуса роликовой вальцовки // Материалы 19-го

международного семинара «Технологические проблемы прочности»

Подольск 22-23 июня 2012г. / Материалы международного семинара, с. 220-

229.

96. Терехов В.М., Кондратенко Л.А., Котов И.В., Клауч Д.Н., Гунин

А.В., Мосюк А.Л., Ягуткин Е.Г., Носов Д.П. Экспериментальные

исследования процесса роликового вальцевания // Материалы 20-го

международного семинара «Технологические проблемы прочности»

Подольск 21-22 июня 2013г. / Материалы международного семинара, с. 162-

168.

97. Терехов В.М., Винников В.С., Кондратенко Л.А., Клауч Д.Н., Гунин

А.В., Мосюк А.Л., Носов Д.П., Ягуткин Е.Г. Изменение свойств однослойных

стальных холоднокатаных труб при их закреплении в досках трубных //

Материалы 21-го международного семинара «Технологические проблемы

прочности» Подольск 20-21 июня 2014г. / Материалы международного

семинара, с. 44-54.

98. Ягуткин Е.Г. Повышение производительности и качества обработки

глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратах АЭУ / // Материалы

V научно-технической конференции молодых специалистов

«Энергомашспецсталь 2013». Краматорск 2013г. / Сборник материалов. – с.

122-123.

141

99. Патент №2416495. Устройство для дробления стружки при

сверлении глубоких отверстий / Н.И. Ташлицкий, Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева,

Л.В. Федотова, В.М. Терехов, Е.Г. Ягуткин, – 2009129937/02 Заявл.

05.08.2009, Опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.

100. Патент №124203. Режущая пластина / Ю.Е. Петухов,

В.А. Гречишников, И.В. Чулин, П.В. Домнин, А.А. Водовозов, Е.Г. Ягуткин,

Д.Н. Лыткин – 20012131512/02 Заявл. 24.07.2012, Опубл. 20.01.2013, Бюл

№2.

101. Патент №2524466. Инструмент для обработки отверстий / Д.Н.

Клауч, М.Е. Кущева, Е.Г. Ягуткин, Д.Н. Лыткин, Ю.Е. Петухов, В.А.

Гречишников, А.А. Водовозов, И.В. Чулин, С.С. Завьялов, П.В. Домнин, А.А.

Рубец, В.Б. Романов, А.В. Рощупкин, К.А. Макшин, Д.В. Железнов–

2013114917/02 Заявл. 03.04.2013, Опубл. 27.07.2014.

142

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Химический состав и механические свойства материалов

143

Химический состав и механические свойства материалов приведены в

таблицах 1 – 12.

Таблица 1 – Химический состав стали 10ГН2МФА-Ш

Содержание элементов, массовая доля %

C Si Mn Cr Mo Ni V Ti S P Cu Al

Заготовка

корпуса

коллектора

0,09 0,25 0,87 0,21 0,43 2,15 0,04 <0,005 0,003 0,005 0,24 0,01

Таблица 2 – Механические свойства стали 10ГН2МФА-Ш

Температура испытания 20°

С

Температура испытания 350°

С Тко,°

С Ϭв,

Н/мм2

Ϭ 0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ 0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Заготовка корпуса

коллектора 660 550 26 75 590 475 20,5 71 – 40

Таблица 3 – Химический состав стали 07Х12НМФБ


C Si Mn Cr Mo Ni V Nb S P Cu Al N2

Заготовк

а доски

трубной

0,0

5

0,1

2

0,7

3

12,

4

0,9

5

0,9

6

0,

2

0.1

2

0,00

4

0,00

9

0,0

8

0,0

5

0.0

6

Таблица 4 – Механические свойства стали 07Х12НМФБ

Температура испытания 20° С Температура испытания 550° С

Заготовка доски

трубной

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

730 580 23 68 460 365 14,5 68

Таблица 5 – Химический состав стали 09Г2СА-А


C Si Mn Cr Ni Cu S P

Заготовка доски трубной 0,08 0,6 1,35 0,3 0,24 0,07 0,005 0,004

Таблица 6 – Механические свойства стали 09Г2СА-А



трубной

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

420 260 39,5 81 360 245 26,5 82

144

Таблица 7 – Химический состав стали 22К


C Si Mn Cr Ni V Ti S P Cu Al


трубной 0,24 0,35 0,83 0,14 0,33 0,05 0.028 0,003 0,004 0,26 0,007

Таблица 8 – Механические свойства стали 22К



трубной

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

540 345 30 75 475 335 25 71

Таблица 9 – Химический состав стали 10Х2М-ВД


C Si Mn Cr Mo Ni S P Cu

Заготовка 0,08 0,37 0,5 2,2 0,62 0,24 0,007 0,003 0,11

Таблица 10 – Механические свойства стали 10Х2М-ВД



трубной

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

Ϭв,

Н/мм2

Ϭ0,2,

Н/мм2

A,

%

Z,

%

1150 950 27,5 81,5 410 310 20 77,5

Таблица 11 – Химический состав стали 08Х18Н10Т


C Si M

n Cr Ni S P

Ti V Cu W Mo Fe

Заготовк

а

0,0

5

0,7

1 0,4

18,0

8

9,1

5

0,00

2

0,02

3

0,2

8

0.0

5

0.1

8

0.0

3

0.1

0

ос

н

Таблица 12 – Механические свойства стали 08Х18Н10Т

Температура испытания 20° С

Заготовка доски трубной Ϭв, Н/мм

2 Ϭ0,2, Н/мм

2 A, % Z, %

530 216 55 73

ЯГУТКИН ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ...

Documents