автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Формирование микрогеометрии упрочненного слоя деталей при локальном и охватывающем поверхностном пластическом деформировании

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕХАНИКА ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ.

1.1. Виды микронеровностей при металлообработке и их оценка.

1.2. Геометрическое моделирование микронеровностей поверхности изделий.

1.3. Определение напряжений и деформаций в элементах микропрофиля.

1.4. Изменение микрогеометрии при поверхностном пластическом деформировании.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МИКРОПРОФИЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ.

2.1. Расчетная модель деформирования микронеровностей.

2.2. Математическое описание напряженно - деформированного состояния объемного тела.

2.2.1. Статические и геометрические уравнения равновесия.

2.2.2. Физические уравнения теории упругости.

2.3. Решение упругопластической задачи.

2.4. Конечноэлементное моделирование напряженно - деформированного состояния.

Выводы.

3. ЧИСЛЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ С УЧЕТОМ НАЧАЛЬНОГО МИКРОПРОФИЛЯ.

3.1. Структура расчета напряженно - деформированного состояния деталей.

3.2. Напряженно - деформированное состояние поверхностного слоя при локальном воздействии на макромодели неровностей.

3.3. Напряженно - деформированное состояние поверхностного слоя при локальном воздействии на микромодели неровностей.

3.4. Напряженно - деформированное состояние поверхностного слоя при охватывающем воздействии на макромодели неровностей.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ С УЧЕТОМ НАЧАЛЬНОГО МИКРОПРОФИЛЯ.

4.1. Методика экспериментального исследования деформирования микронеровностей.

4.1.1. Математическое планирование эксперимента.

4.1.2. Локальное упрочнение шероховатой поверхности.

4.1.3. Охватывающее упрочнение шероховатой поверхности.

4.2. Влияние параметров поверхностного пластического деформирования на изменение исходной микрогеометрии упрочненного слоя деталей.

4.2.1. Локальное деформирование шероховатой поверхности.

4.2.2. Охватывающее деформирование шероховатой поверхности.

Выводы.

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИЗДЕЛИЙ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Методика определения несущей способности поверхностного слоя.

5.2. Установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий.

5.3. Экспериментальное определение несущей способности поверхностного слоя.

5.4. Численное определение несущей способности поверхностного слоя.

5.5. Рекомендации для промышленного внедрения результатов исследования.

Выводы.

Необходимость выхода российских технологий и продукции машиностроения на мировые рынки требует поиска неиспользованных возможностей внутренних резервов. В частности, для развития и внедрения высокопроизводительных точных методов деформационного упрочнения необходимо усовершенствование их технологических основ, позволяющих оптимизировать процессы и устанавливать связь технологических и физических параметров обработки изделий.

Разработке основ поверхностного пластического деформирования (ППД) посвятили свои работы отечественные и зарубежные ученые: В.М. Браславский, В. Вэй, Г. Зигварт, A.M. Кузнецов, Г. Нейферь, Д.Д. Папшев, С.В. Серенсен, В.М. Торбило, JI.A. Хворостухин, С.Г. Хейфец, О. Хоргер, JI.M. Школьник и многие другие ученые. Наиболее распространенными деформационными способами упрочнения являются локальные: обкатка шариком, роликом, диском, выглаживание алмазным индентором. Однако ни один из вышеуказанных методов нельзя эффективно применить для обработки длинномерных маложестких деталей, типа валов, осей, штоков, штанг, шпилек, а именно получить заданную шероховатость поверхности и точность диаметрального размера по длине заготовки.

Перспективными в этом направлении являются осесимметричные способы обработки. Трудами Г.А. Аркулиса, С.И. Губкина, Е.А. Девиса, С.И. Докоса, М.З. Ерманка, Г. Закса, Е. Зибеля, B.JI. Колмогорова, В.И. Любвина, И.Л. Перлина, A.A. Поздеева, O.A. Розенберга, И.Я. Тарновско-го, И.А. Юхвеца и других исследователей созданы научные основы методов осесимметричного деформирования - калибрования, волочения, редуцирования, дорнования и др.

Использование осесимметричного деформирования для упрочняющих технологий исследовано в работах С.А. Зайдеса, который предложил для технологического процесса термин "Охватывающее поверхностное пластическое деформирование". 8

В существующих научных работах по охватывающему ППД шероховатая поверхность деталей заменяется промежуточным слоем, с усредненными механическими свойствами микропрофиля.

Таким образом, необходимо решить задачу по дальнейшему усовершенствованию технологии локального и охватывающего деформирования, заключающуюся в учете технологической наследственности при образовании микрогеометрии поверхности локальным и охватывающим ППД. Необходимо установление параметров технологического процесса для получения требуемой шероховатости обработанной поверхности при минимальных степенях обжатия, а также определение оптимальных параметров предварительно формируемого поверхностного слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем: выполнено численное определение параметров деформирования микронеровностей при обжатии, соизмеримом с величиной Ктах исходного микропрофиля; с помощью программного пакета М8СЖА8Т11АК разработана математическая модель процесса смятия микронеровностей при локальном и охватывающем воздействии на шероховатый слой изделия, позволяющая определять напряжения и деформации в упрочненном слое деталей; установлены границы упрочненной зоны с учетом микрогеометрии поверхностного слоя деталей при локальном и охватывающем ППД; решена задача упрочнения поверхностного слоя деталей с начальными микронеровностями для свободной и стесненной схем нагружения; определены оптимальные значения углов при основании исходных микронеровностей, позволяющие максимально сглаживать деформируемый микропрофиль поверхности деталей машин.

Практическая ценность работы: установлены оптимальные параметры шероховатости предварительно обработанной поверхности, позволяющие максимально сглаживать микропрофиль; определена степень обжатия и пределы изменения угла рабочего конуса матриц при охватывающем ППД, при которых высота микронеровности уменьшается в 3 - 5 раз без образования скрытых дефектов в поверхностном слое; разработана конст9 рукция и изготовлена установка (патент РФ № 2164676), позволяющая определять несущую способность поверхностного слоя изделий.

Результаты работы приняты к внедрению на ОАО Усольехимпром (Усолье - Сибирское) для изготовления длинномерных деталей типа ось конвейера. По существующей технологии такие изделия изготовлялись путем точения и последующего шлифования. По предлагаемой технологии операция тонкого точения (шлифования) заменена охватывающим ППД.

В представленной работе автор защищает следующие основные положения:

1. Математическую модель напряженно - деформированного состояния микропрофиля при поверхностном пластическом деформировании, учитывающую упругопластическое поведение материала изделия.

2. Результаты теоретических расчетов напряженно - деформированного состояния упрочненного слоя при локальном и охватывающем воздействии на микропрофиль детали.

3. Экспериментальное определение механики поверхностного пластического деформирования упрочненных изделий. Установление в процессе нагружения степени упрочнения, изменения формы микропрофиля, конфигурации сглаженных микронеровностей и величины их упругого восстановления после снятия нагрузки.

4. Конструкцию установки для оценки несущей способности рабочих поверхностей изделий.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Иркутского государственного технического университета, а также в цехах Усольского ремонтно - механического завода и Иркутского авиационного промышленного объединения (ИАПО).

Особую признательность автор выражает своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору С.А. Зайдесу за помощь и поддержку на всех этапах выполнения этой работы и доктору технических наук, профессору А.И. Промптову за ценные советы и замечания по содержанию рукописи.

10

8. Результаты работы представлены к внедрению на ОАО Усольехимпром (Усолье - Сибирское) и рекомендованы для изготовления группы длинномерных деталей типа "ось конвейера". Реализация охватывающего ППД позволит увеличить срок службы осей в 1,5 раза и повысить производительность труда на 20 - 30%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии изготовления маложестких деталей составляет 117,7 тыс. руб. в год.

161

1. Айнбиндер С.Б. Исследование трения и сцепления твердых тел (обзор работ). Объединенный ученый совет отд. физич. и техн. наук АН ЛССР- Рига, 1966 76 с.

2. Александров A.B., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990. - 399 с.

3. Биргер И.А. Общие алгоритмы решения задач упругости, пластичности и ползучести // Успехи механики деформируемых сред. М., 1975. - С. 61-73.

4. Биргер И.А., Иоселевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

5. Бобрик П.И. Влияние качества обработки металлов на жесткость нагруженных стыков: Автореф. Дис. канд. техн. наук. М.: НАТИ, 1947. - 24 с.

6. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев: изд-во "Техника", 1975. - 168 с.

7. Витенберг Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. Л.: Судостроение, 1971. - 106 с.

8. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. -М.: Наука, 1980. 302 с.

9. Галлагер Р. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1984. - 430 с.

10. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978. - 360 с.

11. ГОСТ 2789 73, 2309 - 73. Шероховатость поверхности (параметры, характеристики и обозначения). - М.: Изд - во стандартов. 1974. -24 с.

12. ГОСТ 25142 82. Шероховатость поверхности (термины и определения). - М.: Изд - во стандартов. 1982. - 20 с.162

13. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: Метал-лургиздат, 1947. - 532 с.

14. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. - 199 с.

15. Демкин Н.Б. Контакт шероховатых поверхностей // Новое в теории трения: Сб. М.: Наука, 1966. - С. 13 - 18.

16. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. - 227 с.

17. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. -М.: Изд-во АН СССР, 1962. 112 с.

18. Демкин Н.В., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.

19. Дунин Барковский И.В., Карташов А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. - М.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

20. Дьяченко П.Е. О приоритете в вопросах оценки качества поверхности // Трение и износ в машинах: Сб. АН СССР. М.Л., 1950. - С. 151 - 160.

21. Дьяченко П.Е., Толкачева H.H., Андреев Г.А., Карпова Т.М. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностей. М.: Изд -во АН СССР, 1963.- 96 с.

22. Дьяченко П.Е., Якобсон М.О. Качество поверхности при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1951. - 207 с.

23. Жасимов М.М. Законы распределения контактных давлений, деформаций и напряжений при ППД // Машиностроение. Алма-Ата, 1976.-Вып. 2. - С. 116 - 130.

24. Жемочкин Б.Н. Теория упругости. М.: Гос. изд-во по строит, и ар-хитект., 1957. - 256 с.

25. Жуков А.М. О коэффициенте Пуассона в пластической области // Известия АН СССР. Отд. техн. наук. 1954. - № 12. - С. 72-76.163

26. Журавлев В.А. К вопросу о теоретическом обосновании закона Амонтона Кулона для трения несмазанных поверхностей // ЖТФ, 1940. - №10, вып. 17. - С. 1447.

27. Зайдес С. А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. - 309 с.

28. Зайдес С.А. Технология и оборудование охватывающего деформационного упрочнения деталей машин // Современные технологии в машиностроении: Сб. материалов науч. тех. конф. - Пенза, 1998. - С. 124- 127.

29. Ильченко О.Т. Определение площади контакта двух плоских тел // Вестник машиностроения. 1958. - №10. - С. 60 - 64.

30. Иоселевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

31. Иоселевич Г.Б., Осипова Г.В. Распределение напряжений в резьбовых соединениях // Вестник машиностроения. 1979. - №7. - С. 29 - 32.

32. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

33. Ишлинский А.Ю. Осесимметричная задача теории пластичности и проба Бринелля // Прикладная механика и математика. 1944, Т. 8, вып. 3. - С. 201 - 224.

34. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. - 688 с.

35. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. - 383 с.

36. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. -480 с.

37. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. Справочник. М.: Машиностроение, 1980. - 157 с.

38. Лившиц О.П., Гридин Г.Д. Исследование герметичности элементов уплотнений с цинковым покрытием для газовых сред // Химическое и нефтяное машиностроение. 1977. - № 8. - С. 10 - 12.

39. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. М.: Гос-техиздат, 1955. - 492 с.

40. Любвин В.И. Обработка металлов радиальным обжатием. М.: Машиностроение, 1975. - 247 с.

41. Марочкин В.Н. Предельное пластическое состояние при вдавливании и сжатии конуса. // Трение и износ в машинах. М.: Изд-во АН СССР. 1959. - Т. 13. - С. 84 - 135.

42. Марочник сталей и сплавов. / Сорокин В.Г., Волосникова A.B., Вят-кин С.А. и др. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

43. Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно сеточные методы. - М.: Наука, 1981. - 416 с.

44. Моделирование трения и износа. / Чичинадзе A.B. М.: Изд-во АН СССР, 1970. 315 с.

45. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 648 с.

46. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов. -М.: МИСиС, 1969.- 82 с.

47. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка поверхности деталей пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. - 327 с.

48. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. - 152 с.

49. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариком. М.: Машиностроение, 1968. - 132 с.

50. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. - 448 с.165

51. Пилинский В.И. Качество поверхности при скоростном шлифовании // Вестник машиностроения. 1978. - №10. - С. 55 - 59.

52. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2-х т. М.: Машиностроение, 1995.- 2 т.- 685 с.

53. Прандтль JI. Применение теории Генки к равновесию пластических тел // Сб.: Теория пластичности. Москва, 1948. - С. 51 - 55.

54. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще калибрующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971. - 207 с.

55. Пшибыльский В. Технология поверхностной пластической обработки: Пер. с польского. М.: Металлургия, 1991. - 477 с.

56. Пыхалов A.A., Высотский A.B., Унагаев Е.И. Компьютерные технологии инженерного анализа в проектировании, изготовлении и эксплуатации реальных конструкций // Сварка в Сибири 2001. - №1 (5).-С. 72 - 75.

57. Розенберг A.M., Хворостухин J1.A. Твердость и напряжения в пластически деформированном теле // Журнал технической физики. -1955. Том XXV, вып. 2 - С. 313 - 322.

58. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига: Зинатне, 1975. - 216 с.

59. Рыжов Э.В. Влияние метода механической обработки на величину опорной площади и геометрию микронеровностей // Жесткость стыков. -Тбилиси, 1966.-С. 57 63.

60. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. - 194 с.

61. Рыжов Э.В. Опорная площадь поверхностей, подвергнутых механической обработке // Вестник машиностроения. 1964. - № 4. - С. 56 -61.

62. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1970. - 288 с.166

63. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. школа, 1982. - 264 с.

64. Серенсен C.B. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

65. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Высшая школа, 1963. - 389 с.

66. Сулима A.M. Поверхностный слой и эксплуатационные, свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. - 239 с.

67. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

68. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. М.: Наука, 1977. - 100 с.

69. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя. М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

70. Тарновский И.Я., Леванов А.Н., Поксеваткин М.И. Контактные напряжения при пластической деформации. М.: Металлургия, 1966. -279 с.

71. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1968. - 504 с.

72. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. - 244 с.

73. Унксов Е.П., Джонсон У., Колмогоров В.Л. и др. Теория пластических деформаций металлов. М.: Машиностроение, 1983. -598 с.

74. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций. М.: Машгиз, 1961. - 536 с.

75. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат, 1956.-407 с.167

76. Хохлов В.М. Расчет площадей контакта, допускаемых напряжений, износа и износостойкости деталей машин. Брянск: Изд-во БГТУ, 1999.- 104 с.

77. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей (теоретико вероятностный подход). - М.: Наука, 1975. - 343 с.

78. Швецова Е.М. Определение фактических площадей соприкосновения поверхностей на прозрачных моделях // Трение и износ в машинах. М. 1953. -Т. 7. -С. 12-33.

79. Шефтель Н.И. Производство стальных калиброванных прутков. -М.: Металлургия, 1970. 432 с.

80. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001.-448 с.

81. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. JL: Машиностроение, 1972. - 240 с.

82. Штаерман И.Я. Контактная задача теории упругости. -М.Л.: Гос-техиздат, 1949. 270 с.

83. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Гос. науч. - техн. изд-во машиностро-ит. лит-ры., 1956. - 289 с.

84. Патент РФ № 2164676, МКИ7 G 01 N 3/00. Установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий / Н.В. Ву-лых, С.А. Зайдес. Заявлено 19. 04. 00; Опубл. 27. 03. 01, Бюл. № 9. 8 с.

85. Archard J.F. J. Appl. Phys., 1959, 24, No 8, р. 981.

86. Ling F.F. J. Appl. Physics, 1958, 29, No 8, р. 1168.

87. Rubenstein M.C. Proc. Phys. Soc., 1956, 69, No 441. Ser. B, p. 921.

88. Weingraber H. Möglichkeiten für eine Statistishe Auswertung technischer Oberflachen // Flingeratetechnik. 1970. № 9. S. 416 621.169