автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Моделирование формирования остаточных напряжений и деформаций при поверхностном пластическом деформировании стальных деталей

Челябинский государственный технический университет

Тб ол

На правах рукописи

МАЗЕИН ПЕТР ГЕРМАНОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность: 05.02.08. - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск 1994

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете.

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Мирное И.Я.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мухин B.C., доктор технических наук, профессор Овсеенко А.Н., доктор технических наук, профессор Султан-Заде Н.М.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного машиностроения (ВНИИТРАНСМАШ), г. С.-Петербург.

Защита состоится -22 "1илШ 1994 г. в ' ' часов в ауд. 502 на заседании специализированного совета Д 053.t3.05 Челябинского государственного технического университета по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГТУ.

Автореферат разослан 4994 года.

Ученый секретарь специализированного совета^-

доктор экономических наук, профессор ¿¿Уси^уг^'ЯЛ.Ба.еъ

Г ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

А к ту а л ь н о с т ьп роб л.е м ы. Повышение срока службы деталей, лимитирующих ресурс машин - необходимое условие ■конкурентоспособности продукции, экономии средств и труда.

Одним из эффективных технологических средств целенаправленного формирования параметров качества деталей, определявших их эксплуатационные свойства, являются методы, поверхностного пластического деформирования (ППД). -

Известно более тридцати различных методов и схем ППД, накоплен значительный теоретический, методический и практический опыт в- изучении и использовании закономерностей ППД, однако потенциальные возможности ППД в значительной степени нереализованы. Прежде всего, это объясняется отсутствием общности подхода к моделирование процессов ПОД: Отсутствие общетеоретического подхода существенно снижает эффективность выбора метода я условий ППД и объясняет существование ряха нерешенных проблем:

г имеющиеся модели процессов ППД не ооисивапг некоторые экспериментально выявленные закономерности остаточных напряжений, формжрупшгхсяпри ППД;

- не выявляется экстремальный характер ежвмапвхх ж возможность появления на обработанное поверхности растягивают остаточных напряжений;

- не установлены закономерности технологического наследования при-ППД я комбинированном упрочнении (ППД ♦ закалка ТВЧ);

- не учитывается вляиние разброса начальных параметров процессов ППД на результаты упрочнения (остаточные напряжения, размеры и размерную точность деталей). . . '

Отсутствие.достаточно полных научно-обоснованных моделей ППД а методик проектирования технологаческих операций, инструмента я оборудования, обуславливает высокие затраты на предварительные эксперименты а подготовку производства, а также оценку упрочнявшего эффекта. Это определяет актуальность решения проблемы повышения эффективности методов ППД, а также цель работы.

Цель, работы: повышение эффективности методов поверхностного пластического деформирования.на основе моделирования закономерностей формирования остаточных напряжений я деформаций в обрабатываемых деталях. >

' П о л о же 8 1 я, в ы н о с и м н е в а защиту:

- общая концепция системного подхода к моделированию в вв терпретации основных закономерностей формирования параметров х чества поверхностного слоя деталей методами ППД} '

- математические модели формирования остаточных напряжет деформаций при ППД;

- закономерности технологический наследственности 1Щ и комбинированного упрочнения;

- научно-обоснованные методики проектирования наиболее ti шгчных технологических операций. ГОЦЦ .•

Hay ч н а я в о в и з н ai

1. Ra основе системного подхода разработана общая концет моделирования закономерностей формирования параметров' качеств* поверхностного слоя деталей При. ППД.' .

2. Впервые теоретически рассчитан ряд особенностей pacnpi ления остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при l возможность появления экстремума ожимащих остаточных нал ряже: в поверхностном слое, появление растягивапвдх остаточных: напр. ний на упрочиевноА. поверхности ц других*

3. Впервые установлены закономерности наследование техно гических параметров при ПОД и комбинированном упрочнении.

' 4. Разработаны математические модели фррмирования остато напряжений я деформаций при ППД. учнтывапвде циклический хара упруго-плаотического деформирования. .."■.,

П ра к ти.че.с к а яцен н о с т ь и реал из ц.и я р а б о, ты: •'•"■

1» Разработаны научно-обоснованные методики проектировав технологически* операций., инструмента, .оснастки- и оборудован; для обкатывания, раскатывания, дорнования, гидродробеструйно] комбинированного упрочнения, обеспечизащие формирование зад; остаточных напряжений и других параметров качества поверхнос: слоя упрочненных деталей* разработаны новые способы (в том 4i по а.с. * 316055). инструменты (в том числе. по а.с. Я 51747! универсальное специальное автоматизированное оборудование . ППД. .

2. Результаты работы использованы при упрочнения детале: лее 40 наименований (оси, втулки, цилиндра), зубчатые колеса.

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение срока службы деталей, лимитирущих ресурс машин - необходимое условие конкурентбспособности продукции, экономии средств и труда.

Одним из эффективных технологических средств целенаправленного формирования параметров качества деталей, определяющих их эксплуатационные свойства, являются методы поверхностного пластического деформирования (ППД).

Известно более тридцати различных методов и схем ППД, накоплен значительный теоретический, методический и практический опыт в изучении и использовании закономерностей ППД, однако потенциальные возможности ППД в значительной степени нереалиэованы. Прежде всего, это объясняется отсутствием общности подхода к моделированию процессов ППД. Отсутствие общетеоретического подхода существенно снижает эффективность выбора метода и условий ППД и объясняет существование ряда нерешенных проблем:

- имеющиеся модели процессов ППД не описывают некоторые экспериментально выявленные закономерности остаточных напряжений, формирующихся при ППД;

- не выявляются экстремальный характер сжима ших и возможность появления на обработанной поверхности растягквашжх остаточных напряжений:

- не установлены закономерности технологического наследования при-ППД и комбинированном упрочнении (ППД + закалка ТВЧ);

- не учитывается вляиние разброса начальных параметров про-" цессов ППД на результаты упрочнения (остаточные напряжения, размеры и размерную точность деталей). •

Отсутствие.достаточно полных научно-обоснованных моделей ППД и методик проектирования технологических операций, инструмента я оборудования, обуславливает высокие затраты на предварительные эксперименты и подготовку производства, а также оценку упрочняющего эффекта. Это определяет актуальность решения проблемы повышения эффективности методов ППД, а также цель работы.

Цель работы: повышение эффективности методов поверхностного пластического деформирования на основе моделирования закономерностей формирования остаточных-напряжений я деформаций в обрабатываемых деталях.

Положения, выносимые на защиту:

- общая концепция системного подхода к моделированию и интерпретации основных закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя деталей методами ППД;

- математические модели формирования остаточных напряжений деформаций при ППД;

- закономерности технологический наследственности ГОД и комбинированного упрочнения;

- научно-обоснованные методики проектирования наиболее типичных технологических операций ППД.

Научная новизна:

1. На основе системного подхода разработана общая концепция моделирования закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя деталей при ППД.

2. Впервые теоретически рассчитан ряд особенностей распреде ления остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при ППД возможность появления экстремума сжимаодих остаточных напряжешй в поверхностном слое, появление растягивающих остаточных напряке нйй на упрочненной поверхности и других.

3. Впервые установлены закономерности наследования технологических параметров при ППД и комбинированном упрочнении.

' 4. Разработаны математические модели формирования остаточш напряжений и деформаций при ППД. учитывающие циклический характЕ упруго-пластического деформирования.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Разработаны научно-обоснованные методики проектирования технологически* операций, инструмента, оснастки-и оборудования для обкатывания, раскатывания, дорнования, гкдрсдройе струГ:ного 1 комбинированного упрочнения, обеспечизащие формирование задант остаточных напряжений и других параметров качества поверхностно] слоя упрочненных деталей: разработаны новые способы (в том числ< по а.с. Я 316055), инструменты (в том числе, по а.с. В 517475), универсальное и специальное автоматизированное оборудование для ППД.

2. Результаты работы использованы при упрочнении деталей б< лее 40 наименований (оси, втулки, цилиндры, зубчатые колеса.

крупногабаритные подшипники и др.) тракторов, подъемных кранов, химических насосов и др. на предприятиях транспортного, сельскохозяйственного. энергомашиностроения и других отраслей. Эксплуатационные испытания, проведенные в условиях Алтая, Сибири, средней полосы России, Украины и Молдавии, показали высокую эффективность упрочнения.

3. По заказу отрасли транспортного машиностроения выполнены аналитические обзоры возможностей методов ППД для упрочнения деталей, эксплуатирующихся в условиях различных схем нагружения, а также экспертные оценки причин нарушения работоспособности тя-желонагруженных узлов машин, на основе которых предложены методы !ШД для упрочнения поверхностного слоя деталей, лимитирующих ресурс машин. Предложено новое направление развития методов ППД, обеспечиващее эффективное управление комплексом свойств поверхностного слоя деталей.

Суммарный экономический эффект от внедрения методик проектирования технологических операций, инструмента и оборудования,подтвержденный актами, составил около 500 тыс. руб. (в ценах до 1.Т.91).

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались.на следующих конференциях и семинарах: научно-технических конференциях Челябинского государственного технического университета,.1970-1993 г.г.; производственно-технических и производственных семинарах, Челябинск, 1976,1977,1978,1984.1988 гг.; Свердловск, "Наука -производству", 1981 г.; Лиепая, " Эффективности и качеству - современные методы обработки металлов 'поверхностным и объемным пластическим деформированием" 1983- г.; постоянном семинаре АН СССР "Физико-технические проблемы поверхности металлов",Ленинград, 1984 г.; зональных научно-технических конференциях, Новосибирск. 1978 г.; Тольятти, " Интенсификация производства и повышение качества изделий ППД", 1989 г.; Иркутск, 1991 г.; всесоюзных научно-технических конференциях, Челябинск. "Трение и смазка в машинах", 1983 г.; "Основные направления, экономии металла в автотракторостроении", 1984 г.; Брянск, " Новые технологические процессы-и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов", 1986 г.; Ростов-на-Дону, "Остаточные напряжения'- резерв прочности в машиностроении",- 1991 г, -

По диссертационной работе сделаны доклады на объединенном заседании кафедр "Технология машиностроения", "Станки и инструмен "Технология металлов" (ЧГТУ); НПО "КОРПУС" (Екатеринбург); ВНИИТРАНСМАШ, (С. -Петербург)! на научном семинаре кафедры "Технология машиностроения" Уфимского авиационного института.

Публикации.,

По материалам диссертации опубликовано более 60 печатных работ общим объемом 64,5 п.л. (вклад автора - 59,5 п.л.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, семи разделов, списка литературы, выводов, приложений с материалами внедрения и испытаний. Содержит 372 страницы (из них, 110 страниц со 161 рисунком и 15 таблицами, 28 страниц список литературы из 268 названий), материалы внедрения на 51 странице, 72 страницы листинги программ, 142 страницы результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Теоретические я методологические предпосылки моделирования процессов ППД

Параметры качества, формирующиеся при ППД: шероховатость, текстура-металла, плотность дислокаций, твердость, распределение остаточных напряжений и др., зависят от свойств материала детали и качественных и количественных характеристик схем обработки. £ работе показано, что большинство проблем формирования при 1ВД параметров качества деталей связано (прямо или косвенно) с недостатками моделирования напряженно-деформированного состояния при обработке.

Анализ закономерностей, установленных в работах И.Б. Кудрявцева, Ю.Г. Проскурякова, Д.Д. Папшева, П.Г. Алексеева, В.М. Cmsjihi ского, O.A. Розенберга, В.М. Торбило,. Л.А. Хворостухкна, В.!.'. Брас лавского, B.C. Мухина, А.Н. Овсеенко. А.П. Бабичева, В.В. Петросо-ва, K.M. Касимова, В.А. Смирнова, Ю.Г. Шнейдера, ГГ.А. Чепы и других ученых, позволяет предложить следующие теоретические и мето-. дологические предпосылки решения проблем повышения эффективности методов ШЩ:

- необходимость учета явлений приспособляемости металла я пластическим деформациям при циклическом характере упруго-пластического деформирования при ППД;

- возможность появления вторичных пластических деформаций при циклическим упруго-пластическом деформировании:

- необходимость учета при моделировании ППД и комбинированного упрочнения явлений наследования предшествующих воздействий и разброса параметров материала заготовки, ее размеров и других условий обработки;

- обеспечение обоснованного выбора метода и условий ППД на основе концепции, устанавливающей общие принципы моделирования методов ППД и базирующейся на общем компьютерном банке теоретической, методической и технологической информации.

Возможность общей концепции моделирования закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя при ППД следует из общности физических явлений при взаимодействии индентора и заготовки, приводящих к изменению макро- и микрогеометрии детали, остаточных напряжений, твердости, плотности дислокаций и других параметров.

Концепция включает в себя требования к моделированию, принципы структурного и параметрического синтеза моделей, принципы качественного и количественного анализа моделей и принципы адаптации моделей к уровню возможностей и потребностей различных пользователей, обеспечивающие создание научно-обоснованных методик операций, инструмента и оборудования для ППД, сокращающих затраты на внедрение и раскрывающих потенциальные возможности методов ППД. Концепция устанавливает общие и специфические для ППД требования к моделированию.

Синтез матёматических моделей ППД на основе системного подхода осуществляется на трех уровнях: микроуровне (поля напряжений и деформаций), макроуровне (схема взаимодействия индентора и заготовки) и метауровне (совокупность возможностей методов ППД),

Для моделирования на микроуровне предлагается, кроме общепринятых факторов процессов ППД, учитывать следующее: приспособляемость материала к пластическим деформациям, возможность возникновения вторичных пластических деформаций, сложность нагруления. историю нагружения, волновые явления, накопление повреждаемости в упрочняемом слое, технологическое наследование и дэ.

Среди принципов моделирования на макроуровне, определяющих решение проблем ППД, наиболее существенными являются выбор условий контактного взаимодействия, решение вопросов об учете проскальзывания и трения в контактной зоне, шероховатости, изменение формы контактирующих тел, учет дискретности и внеконтактных явл? ний.

Анализ моделей в соответствии с концепцией осуществляется г следующим направлениям: теоретический качественный анализ моделе на соответствие физической сущности процессов упруго-пластическс го деформирования, количественный анализ адекватности реальным процессам ППД.

Принципы преобразования математических моделей в технологические, обеспечивают их адаптацию к потребностям и возможностям разного уровня производств и пользователей как при обычном, так и при автоматизированном проектировании. Наиболее существенными здесь являются учет влияния разброса параметров заготовки, инст{ мента и оборудования на результаты обработки.

Общая концепция моделирования закономерностей ППД позволяем предложить новое перспективное напрвление синтезирования методоз и-схем упрочнения, обеспечивающее формирование новых комплексов свойств поверхности и поверхностного слоя деталей за счет комбинирования истории нагружения при учете накопления повреждаемост! на -каждом этапе упруго-пластического деформирования.

В соответствии с разработанными принципами моделирования, I работе выполнен синтез и анализ моделей для каждого из четырех возможных направлений'ППД,использующих при обработке трение кач( ния, трения скольжения, ударное воздействие и наследственное вл! яние ППД при комбинированном упрочнении. Моделирование осуществлено для наиболее типичных методов каждого направления ШЩ:дорн( вания, обкатывания, гидродробеструйного' и комбинированного упро1 нения. '

Для апробации практических аспектов моделированияпроцесса ППД, качественной и количественной оценки разработанных матемаи ческих моделей, оценки оптимальности параметров поверхностных слоев деталей, соответствующих моделируемым остаточным напряжен! и деформациям, выполнен комплекс экспериментальных исследований остаточных напряжений первого рода, микроискажений, количества остаточного аустенита, твердости, шероховатости, долговечности и др., с использованием методов Давиденкова, рентгеноструктурно-

го анализа, голографии, математического планирования; метода Ло-*ати, новых установок для усталостных испытаний и др.

2. Моделирование остаточных напряжений и деформаций

При моделировании закономерностей формирования остаточных яапрянекий и деформаций при дорновании, обкатывании и гидродробе-зтруйном упрочнении были реализованы наиболее существенные принципы синтеза и анализа, установленные общей концепцией моделирования процессов ППД.

Для моделирования процесса дорнования в качестве исходной, как и в работах Ю.Г, Проскурякова, принята 'схема нагружения цилиндра равномерным внутренним радиальным давлением. Существенным этличием.разработанной в данной работе модели, является учет возможности появления при обработке вторичных пластических деформаций. Для этого в работе процесс образования остаточных напряжений 4 деформаций рассмотрен как. процесс нагружения и последующей нагрузки. При этом, в зависимости от соотношения радиусов отверстия л наружной поверхности цилиндра, от величины натяга при обработке л пластических свойств материала детали, теоретически возможны 1етыре расчетных случая сочетания напряженно-деформированных состояний нагружения и разгрузки при дорновании: I) упруго-пластическое нагружение - упругая разгрузка; 2) упруго-мастическое нагружение - упруго-пластическая разгрузка;(появление вторичных пластических деформаций); 3) пластическое нагруже-те - упругая разгрузка;' 4)■ пластическое нагружение - упруго-пла-:тическая разгрузка.

■ В первом случае, по.толщине детали формируются две области .слоя) в различной историей нагружения-раз'грузки: первый слой, филежащий к' упрочняемой поверхности отверсгия ('1=0. , где Ч. -текущий расчетный радиус, 0_ -радиус отверстия), пластически реформирован при нагружении и упруго- при разгрузке и второй :лой, прилегащий к наруж.ной поверхности (Ч=£) .где Ь -ра-шус наружной поверхности), упруго деформировался как при нагру-сении, так и при разгрузке. Границей слоев является г1$ - радиус збласти пластического деформирования при нагружении.

Аналитические выражения для остаточных напряжений' в первой .при ), и второй областях (при ) раз-

шчны и дают распределение по толщине стенки щ"гинлра качествен-

но аналогичное решению Ю.Г. Проскурякова, однако количественное различие более существенно. Модель Ю.Г. Проскурякова дает меньшие значения тангенциальных остаточных напряжений на обработанной поверхности (на 15-21%, в зависимости от величины натяга и отношения радиусов цилиндра Ь/о.) и значительно большие (более, чем на 50%) максимальные радиальные остаточные напряжения, что объясняется другим законом упрочнения, принятым в данной модели, адекватность которого подтверждена экспериментально.

Для второго расчетного случая дорнованик'характерно образование трех .областей с различной историей нагружения-разгрузки: области, прилежащей к упрочняемой поверхности, в которой произошли пластические деформации при нагружении и при разгрузке (вторич-ные'пластические деформации, отражающие эффект Баушингера); области, в которой произошли пластические деформации при нагружении и упругие при разгрузке; области, прилежащей к наружной поверхности в которой произошло упругое деформирование как при нагружении, так и при разгрузке. Получены аналитические выражения для радиальных и тангенциальных остаточных напряжений в трех вышеуказанных областях. Так, для первой области (при &<1<я(.о -,где 1а - радиус, ограничивающий область вторичных пластических деформаций) получены следующие, выражения

Ь1 уТ о. И-Л) ут г2 а2 'ш ' /з"ггаг . .

где С ° • - радиальные и тангенциальные остаточные напряжения, Л - коэффициент линейного упрочнения материала цилин-. ра, Ст - предел текучести материала цилиндра; для области 'К. о

Г-о П 2. яг- СП •Ч- ./» д! Ст 4.1 (чЛоЗ) _

С^-Р ЛЬт^+О -я) уз*I2 о.4 (3)

• ¿лет ¿От1ё(ъ*+г*)

тгт ■ .

для области 1 $ < Т < -Ь ,

^--714^ ' (5)

/гт*^ - : • 1в)

где р - радиальное давление в. цилиндре, создаваемое натягом.

Критерием возможности появления вторичных пластических деформаций при определенном натлгв, т,.е'. осуществления второго расчетного случая нагружения-разгрузки, является неравенство

Ь/а> г.бо-Аота-л1', С7)

отражающее как геометрические параметры детали, так и свойства ее материала. Полученный критерий существенно отличается от установленного теорией идеально-пластического материала условия появления пластических деформаций (&/& ^ 2,22).

В работе получены аналитические выражения для радиальных и

тангенциальных остаточных напряжений для третьего и четвертого расчетных случаев, а также определены условия их существования.

Качественный и количественный анализы радиальных и тангенциальных остаточных напряжений, прогнозируемых предложенной моделью выявили необходимость, кроме имеющихся понятий "малые" и "большие натяги при дорновании, соответствующие пс модели Ю.Г. Проскурякова упруго-пластическому нагружеито - упругой разгрузке и, соответственно, пластическому нагруяению и упругой разгрузке, ввести понятие о "средних" натягах, отражающее появление при обработке вторичных пластических деформаций, приводящих к качественному изменению распределения сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое упрочняемых деталей, что показано расчетом.

Результаты расчетов остаточных напряжений по предложенной в работе модели' в сравнении с расчетом по модели Ю.Г. Проскурякова показаны на рис. 1-4. При "малых" натягах (рис.4,кривая 1) эпюра тангенциальных остаточных напряжений имеет максимум сжимающих напряжений на обработанной поверхности отверстия (при Z =0, где Z. - расстояние расчетной точки от поверхности отверстия), На определенном удалении от поверхности снимающие остаточные напряяв' ния'переходят в растягивание, достигающие максимума и тлеющие спад при приближении к наружной поверхности, адекватность модели подтверждается результатами-экспериментальных исследований Ю.Г. Проскурякова, при.соответствующих расчету условиях. При увеличении величины "малого" натяга растут-величина сжимающих тан-, 'геншгалышх остаточных напряжений на поверхности, толщина "сжато' го" слоя, максимум», растягивающих остаточных напряжений и величина остаточных напряжений на наружной поверхности детали.

При средних натягах, качественный характер распределения тангенциальных остаточных напряжений, полученных в работе, существенно отличается от распределения, прогнозируемого моделью Ю.Г. Проскурякова (рис. 1,кривые 2,5 я рис. 4, кривая 2) и тем больше, чем больше величина расчетного натяга и соотношение диаметров цилиндра,- причем, предлагаемая модель качественно лучше . соответствует закономерностям, экспериментально выявленным в работах Ю.Г» Проскурякова, O.A. Розенберга, В.П. Монченко и И.В. Поздняковой. В этом случае сникающие тангенциальные напряжения, рассчитанные по предложенной модели, имеют немонотонный характер, отражая экспериментально выявленные закономерности (рис. 4,кри-

ая 2 и экспериментальные результаты E.G. Товпенца)Величина мак-имума радиальных остаточных напряжений по предложенной модели олее, чем в 2 раза (рис. 1, кривые 4,6) ниже, чем по модели Ю.Г. роскурякова, что подтверждается экспериментально. Выполненный ля сравнения, расчет по разработанной модели с пренебрежением горичными пластическими деформациями дает более высокую оценку аксимальных радиальных остаточных напряжений (рис. 1, кривая 3), ем с учетом вторичных пластических деформаций.

На рис. 2,3 показаны зависимости параметров распределения ос-аточных тангенциальных напряжений от величины натяга, рассчитан-ые по разработанной модели и прогнозируемые моделью ГО.Г. Проску-' якова; сравнение подтверждается большую пригодность предложенной одели.

При "больших" натягах, дащих пластическую деформацию по сей толщине стенки цилиндра, возможно формирование на обработан-ой поверхности растягивающих тангенциальных остаточных напряне-ий (рис. 2-4), что не описывается моделью . Ю.Г* Проскурякова, од-ако подтверждается экспериментальными данными, полученными как его работах, так и в работах O.A. Розенберга.

Немонотонность изменения величины остаточных тангенциальных апряжений (из-за влияния вторичных пластических деформаций) на бработанной поверхности при увеличении натяга определяет возможность обеспечения одной и той же' величины остаточных напряжений [а поверхности при двух различных величинах толщины наклепанного лоя. Таким образом, впервые аналитически установлено, что при малых" натягах максимум сжимающих тангенциальных остаточных кап-гаений•находится на обработанной поверхности,- возникновение вто-1ичных пластических деформаций при увеличении натяга (при услоЬии 7)) смещает, максимум сжимающих остаточных напряжений вглубь от :оверхности, дальнейшее увеличение натяга приводит к формирова-цю на поверхности растягивающих остаточных напряжений. Анализ асчетных и экспериментальных эпюр подтверждает возможность прак-ического использования математической модели для прогнозирова-ия остаточных напряжений при дорновании.

Разработанная модель позволила получить аналитические зазй-имссти, связывающие деформации детали при обработке с.величиной • атяга для четь-рех расчетных случаев нагружения-разгрузкк. Анализ тих зависимостей приводит к существенным для теории а'практики

выводам: всегда при свободном дорновании разброс размеров отверстия после дорнования меньше, чем до обработки, а разброс наружного диаметра детали в результате дорнования увеличивается, что подтверждается экспериментально. Это необходимо учитывать при разработке маршрутов технологических процессов, использующих операцию дорнования отверстий в цилиндрах.

В работе показано, что применение разработанной модели для прогнозирования остаточных напряжений и"деформаций при многозубом дорновании обеспечивается использованием механизма приспособляемости.

При моделировании процесса обкатывания использовались метод упругих решений упруго-пластических-о задач, методы теории упругости неоднородного тела, метод конечных элементов (МКЭ) и метод расчленения тела.

С! МЛ а

80 ЮЗ О -КЙ -200

-300

-5Ш

3

¡5 я / ?Р

$

; у ъ

ь —<

2'Ю }мкм

Расчетное распределение остаточных напряжений при дорновании

Д= 0,96; (Ь-х - 360 МПа;

Х&= 44.29 мм; 1.2,5-С£;

. 3,4,6 ;' 2,4 - с учетом вторичных пластических деформаций при ¡_ = 509 мкм; 1,3 - без учета; 5,6 - по Ю.Г. Проскурякову

Рис. 1

С.'МПа

200

ЙЮ

А ' >

г

и» £00 . ко, +СО

У

\

—■ -.

Расчетные зависимости остаточных напряжений от натяга

Л= 0.96; (о г = 360 МПа; ¿0 = 30 мм;2й = 80 мм; ^ 1,2.3 при 1 = 6 ,

4.5.6 -бгто*: 7'8«9-

- при 1-" а .

3.4.7 - с учетом вторич-1 ных пластических деформаций; 2,5,9 - без учета; 1,6,8 - по Ю.Г. Проскурякову.

Рис. 2

Зависимость тангенциальных остаточных напряжений на поверхности отверстия от натяга

(00 •О -100 -200

-¿100

Цмкм

1 - 2. а = 35 мм, 2 6 = 63 мм; 2 -20. = 60 ым,2"Ь = 90 мм; 3 - 20. = 30 мм. 2 6 =80 мм

Рис. 3

Распределение остаточных напряжений при дорновании

<От, МПа

-600

3 /

/ ч и :

^ Ч N.

1 £ ч ** __/

0 1 2 3 4 5

2, мм

1,2 - сталь 45, натяг I = 3,665 к:л. Ь/а = 1,31, 3,4 - сталь 20, натяг ¡_ =1,6 мм, Ь/о. = 1,4, 1,2,4 - расчет по разработанной модели; о и 3 - экспериментальные данные Ю.Г. Проскурякова; X - экспериментальные данные Е.С.' Товпенца

Рис. 4

Реализуя принципы концепции моделирования процессов ППД, и в этом случае использовали для определения остаточных напряжений обобщенную Москвитиным теорему о разгрузке. Для этого получены зависимости, определяющие напряжения Сг <Сг , С-г ,

деформации , £-1 , , и перемещения Ц_^ в.

упругом неоднородном полупространстве с одномерной неоднородностью вида.

ВД-ЕоО + кг)*, ' (8)

где Е (Е) - распределение величины модуля упругости в зависимости от расстояния до поверхности полупространства; Е а - модуль упругости на поверхности полупространства (при £ = 0); К , Ь -параметры неоднородности. Из полученных выралений приведем в качестве примера зависимость для радиальных напряжений

где 1 - расчетный радиус точки полупространства (.расстояние до оси симметрии); С), - давление в центре площадки контакта при обработке; ЭД* г), - Функции Бесселя; -функции

Уиттекера; | ,п,й, /), С^.Я & -параметры.

Определение остаточных напряжений и- деформаций выполнено численным методом с использованием ЭВМ.

Результаты расчета методом теории неоднородного тела и МКЭ приведены на рис. 5,6. При небольших силах обкатывания (малых величинах отпечатка индентора 0.0.)(рис. 5, кривая 1) максимум остаточных тангенциальных напряжений находится на упрочненной поверхности (при (1/0-о=О). при увеличении силы из-за появления вторичных пластических деформаций максимум смещается Еглубь упрочненного слоя, что подтверждается экспериментально (рис. 5, кривые 1-3).

Остаточные напряжения при обкатывании

•в 1 - диаметр отпечат-* кз а 0 =0.23 мм.

сила при обкатывании ■ Р = 400 Н. 2,3 - 0.□ = 0,464 мм. Р = 3200 Н. 2 т эксперимент Рис.' 5

Изменение остаточных деформаций при обкатывании

5,«и

<0

О

• - расчет, X -эксперимент

Рис. 6

Р.н

Остаточные напряжения при комбинированном упрочнении (Ш1Д + закалка ТВЧ при скоростях нагрева больше 150 град/с) предлагается определять, используя модель Кана-Шрейбера. с учетом влияния предшествующего пластического деформирования на структурунуга составляющую G стр суммарных остаточных найря^.ений с помощью коэффициента влияния К

G°=G°-KG£tp, (Ю)

где G г. --суммарные остаточные напряжения при комбинированном упрочнении; Gt -тепловая составляющая суммарных остаточных напряжений. Корреляционный и регрессионный анализы подтвердили возможность использования такой модели для установления закономерностей и проектирования комбинированного упрочнения."

При решении задачи об остаточных-"напряжениях" при ГДУ также учитываются закономерности уциклического упруго-пластического деформирования при упрочнении.

Реальный процесс упрочнения состоит.из множества однократных ударов шариков по обрабатываемой поверхности, которые формируют суммарное поле остаточных напряжений, в поверхностном слое детали.

Ключевой задачей моделирования является установление связей между однократным и многократным взаимодействием шара и полупространства.

Применяя метод локальной суперпозиции, в работе получили уравнения для средних остаточных напряжений от одного, удара и для средних суммарных напряжений от многократных ударов. Принимая, что поведение обрабатываемого материала подчиняется обобщенному принципу Мазинга и, учитывая механизм приспособляемости металла, получили следукщую систему дифференциальных уравнений:

......

сп)

где Со (2,1) - предел текучести в данной точке .полупространства с учетом приспособляемости при коэффициенте упрочнения сА ; С). - удельный расход шариков; б и. - интенсивность .напряжений; Ё - функция, учитывающая приспособляемость при обработке; -размер упрочняемого участка; - суммарные остаточные напряжения по' оси X ;Яг,Ра- функции, определяющие вклад радиальных и окружных остаточных напряжений от однократного взаимодействия шарика и полупространства в суммарные остаточные напряжения.

Остаточные напряжения от однократного* взаимодействия находятся по теореме о разгрузке, при этом, решение задачи по определяли® "напряжений нагрузки-разгрузки основывается на решении контактной задачи. Для'решения контактной задачи использована теория

малых упругопластических деформашй' и известное решение упругой контактной задачи. Исходным для формирования граничных условий этой задачи является равенство величины кинетической энергии шарика и энергии полупространства в момент удара.

При синтезе модели принято, что удар является квазистатическим в связи с тем, что скорость полета шариков невелика (4-10 м/с), Условие квазистатичности остается справедливым и в случае пластических деформаций, т.к. наличие пластического течения уменьшает интенсивность контактного давления и, следовательно, энергию идущую на упругое волновое движение. Влиянием термических напряжений пренебрегаем, т.к. даже, если вся -кинетическая энергия шарика преобразуется в тепловую, то ее все равно не достаточно, чтобы оказать существенное влияние на распределение остаточных напряжений при ГДУ, учитывая к тому же, непрерывное облиьное охлаждение мае-' лом.

Выполненный качественный анализ модели показал, что модель отражает физическую сущность процесса упрочнения; показано существование предела остаточных напряжений, величина которого зависит от свойств обрабатываемого материала; показана такте адекватность модели экспериментальным даннш. .

Алгоритм численного решения системы уарвиений приспособляемости и однократного взаимодействия осуществляется пошагово от Ъ = 0 до 1=11 (время обработки-элемента поверхности). Уравнения приспособляемости являются дифференциальными уравнениями первого порядка и для их решения применен метод Эйлера. Система дифференциальных уравнений однократного взаимодействия в 'частных производных решается сеточно- разностным методом с использованием двухслойной итерационной схемы.

На рис. 7 показаны результаты расчета остаточных напряжений от однократного удара. ' Полученные расчетом зависимости остаточных напряжений от скорости (рис, 8), предела текучести (рис. 9) и времени упрочнения \рис. 10) позволяют отметить следующие особенности, выявляемые математической моделью:

- в тонком приповерхностном слое имеются растягивающие остаточные напряжения;

- далее располагается слой со сжимающими остаточными напряжениями, толщина"сжатого слоя и его расположение зависят от скорости стариков к предела текучести материала детали;

2Т '

- на глубине, зависящей от скорости шариков и предела текучести материала наблюдается максимум сжимающих напряжений;

- величина максимума зависит от скорости шариков, предела текучести материала и времени упрочнения элемента поверхности;

- толщина и расположение сжатого слоя зависят от скорости париков и предела текучести;

ниже сжатого слоя располагаются растягивающие напряжения небольшой величины.

Расчетные эпюры имеют качественное совпадение с экспериментальными данными автора. В.В. Петросова, В.И. Волкова и др. Количественные расхождения между расчетом по модели и экспериментом не превышает 15-20%. Сравнение выполнялось по величине прогиба контрольных пластин, рассчитанным по предложенной модели и определенным экспериментально (рис. 11,12).Экспериментальные исследования остаточных напряжений проводились методом H.H." Давиденкова, рентгеновским методом и методом пенетрации, базирующемся на использовании лазерной интерферометрии;

Экспериментальные данные также подтверждают возможность возникновения на упрочненной поверхности растягивающих остаточных напряжений, что приводило ранее многих отечественных и зарубежных исследователей к выводу о необходимости удаления тонкого поверхностного слоя для повышения долговечности упрочненных деталей."

Таким образом, численный анализ математической модели показывает, что на остаточные напряжения наибольшее влияние оказывает предел текучести материала, имеется ярко выраженной экстремум сжимающих остаточных напряжений и небольшая глубина их залегания для закаленных материалов, меньшее значение экстремума с постепенным • расширением зоны сжимающих напряжений для незакаленных материалов.

Для использования математической модели при разработке методик проектирования технологических операций необходима теоретическая оценка влияния разброса параметров процесса на его результата.

Разброс имеют входные параметры установки для упрочнения, значителен также разброс свойств обрабатываемого материала.

'"одель упрочнения позволяет оценить характеристики разброса результатов упрочнения.

.. 22 Результаты расчета остаточных напряжений

при однократном ударе

6°ст ЮМПо ЮМЛа

Ч_/Яотп, отп ,^отп - радиус отпечатка

Рис. 7

Зависимость остаточных напряжений от скорости шариков

-30 -20 -Ю 0 <0 20 ^МПо.

1= 1 с; 1 - и = 1.4 м/с; 2 - V = 7.5 м/с; 3 - и = 6.2 м/с

Рис. 8

Зависимость остаточных напряжений от предела текучести материала -30 -20 -10 0 ~ 10 20 Б »".МПа

1=1 с; 1 -Б г = 560 МПа; 2 -Ст = Ю90 МПа; 3 -Ст = 1560 МПа; и = 7.5 м/с; й = 1*25 ш . ' Рис. 9

Зависимость остаточных напряжений от времени упрочнения

-<200 -600 -400 0 ' 400 800 С?ТМПй

( р £ •

3

к

5

1 - Ъ = 72 с; 2 - -Ь = 48 с; 3 - Ь = 24 с Рис. 10

Зависимость прогиба пластин от скорости шариков

Ьг-Ш^мн

(б . № И <0 • б Б

О

/ //

X 'У/

/ /

.0. •

в

<0 . 12

R - 1,25 мм;Ст= 500 МПа; I/ = 7,5 м/с; £), = 0,51 шт/с-ым2 X - эксперимент; СЭ - численный расчет; —г- математическое.

ожидалке;------граница интервала разброса значений

Рис. 11

Зависимость прогиба пластин от зремени упрочнения

$ пр-КГ* мм

X - эксперимент; <—I - численные расчет Рис. 12 .

Оценка разброса выполнена с использованием глобальной функции

. (12)

где - расход шариков; К - кинетическая энергия шарика; •Ь - время упрочнения. Приняв нормальный закон распределения погрешности и выполнив разложение (12) в ряд Тейлора, нашли среднюю квадратичную погрешность функции некоррелированных аргументов. В результате получена -вероятностная модель и алгоритм расчета погрешностей прогнозирования остаточных напряжений при ГДУ. Так, при исходных данных:

дапленпе масла р = 0,35 Ша, радиус шариков К = 1,25 мм. время обработки элемента поверхности Ь = 60 с, расстояние от сспла до обрабатываемой поверхности 5 = 150 мм. удельнка расход париков 9 = 0.51 шт/мм?сполучим

йС*°(глЖ2)£Х°(н,Ь)МО,27\ МПа,

где "(2,1) - погрешности определения остаточ-

ных напряжений, связанные с разбросом расхода шариков, кинетической энергии, свойств обрабатываемого материала и времени обработки, с((2.) , у - функции чувствительности, полученнпе в работе (рис. 13,14).

Чувствительность остаточных напряжений к величине кинетической энергии шариков

сС,

2 3 4 "2

1 - 180 - .320 Дж, 2 - 32 - 100 Дж Рис. 13

Таким образом, модель, отражая физическую связь режимов и выходных параметров процесса, позволила выявить особенности распределения остаточных напряжений при.ГДУ: форма эпюры практически не зависит от времени упрочнения; на обработанной поверхности формируется тонкий слой растягивающих остаточных напряжений, с увеличением рабочего давления и диаметра шариков растет, как толщина слоя со сникающими остаточными напряжениями, так и их величина." Модель обеспечивает оценку чувствительности выходных технологических параметров к рассеиванию входных параметров процесса ГДУ и наиболее эффективно работает в диапазоне скоростей шариков V = = 4...10 м/с для Ст = 800...1500 МПа и

Чувствительность остаточных напряжений к величине предела текучести материала заготовки •

РЮ /МПа

10 В 6 к г

■

/' \

А / \.

/ 1 \

/ / V \

Г' // 1 / \

—. \

о </ г з ц 5 я*

1 - Ст = 1090 МПа, 2 - (В-г - 560 МПа Рис. 14

Резюмируя результаты моделирования*можно сделать"выводГ реализация предложенных в работе гипотез (учет вторичных пластических деформаций, приспособляемости и других1» позволяет теоретически количественно определить -ряд существенных особенностей распределения остаточных напряжений при ППД (экстремум сжимающих остаточных напряжений, возможность появления растягивающих остаточных напряжений на упрочненной поверхности, функциональную связь с режимами обработки и свойствами материала-детали, влияние предшествующих воздействий и разброса технологических параметров процессов упрочнения и других), многие из Которых имели ранее лишь качественное объяснение и определялись в результате длительных экспериментов. Разработанные модели теоретически объясняют причины вышеуказанных особенностей остаточных напряжений при ППД.и позволяют рассчитывать режимы обработки, обеспечивающие требуемые параметры качества детали (шероховатость, точность, остаточные напряжения) не прибегая к трудоемким экспериментальным исследованиям- в практически применяемых технологических диапазонах. ' .

3. Практическое использование результатов работы

Результаты математического моделирования исполусвались на-предприятаях различных отраслей по нескольким направлениям.

Лля технологического обеспечения операций ШЛ и комбинированного упрочнения разработаны:

- методика проектирования операции обкатывания, обеспечивающая заданную шероховатость и распределение остаточных напряжений; методика обеспечивает определение параметров заготовки под обработ ку как при обычном, так и при автоматизированном расчете;

- методика проектирования комбинированного упрочнения;

- методика проектирования операции дорнования отверстий, учитывающая сущность логических процедур при реализации различных комплексов технических требований чертежа. Методика позволяет определить параметры заготовки и инструмента, обеспечивающие заданную шероховатость, остаточные напряжения и размерную точность обрабатываемого отверстия и наружного диаметра детали. Разработано программное обеспечение для реализации методики, а также номограммы (рис. 15). Методика передана на "11 предприятий, в том числе на ПО ИШАШ, ПО УРАЛАЗ, АО УРМТРАК (ЧТЗ) и др. Издан отраслевой аналитический обзор по дорнованиго (ЦНИТИ, Москва);

- методика проектирования операции гидродробеструйного упрочнения, обеспечивающая заданные параметры распределения остаточных напряжений с учетом начальных напряжений в детали и с учетом разброса параметров заготовки.- инструмента (шариков) и оборудования (условий обработки). Задав параметры упрочнения: глубину сжатого слоя Ь и максимальные остаточные напряжения £ можно определить необходимую энергию и время упрочнения. Решение дает все параметры остаточных напряжений с учетом разброса

(рис. 16). Для отрасли (БНИИТРАНШАШ,- С.-Петербург) разработан обзор, по ТШ и данная операция внедрена впервые:

- методики проектирования дорнов и установок для ГДУ;

- технологические операции ППД и комбинированного упрочнения (.обкатывание наружных поверхностей шариковыми и роликовыми обкат-киками, раскатывание отверстий-шариковыми и роликовыми раскатника-ми, обкатывание зубьев'крупномодульных зубчатых.колес червячными обкатниками, дорнование отверстий в толстостенных и тонкостенных цилиндрах, комбинированное упрочнение наружных поверхностей, гидродробеструйное упрочнение зубчатых колес и осей, нанесение регу-•лярного микрорельефа, обработка резьб бесстружечными метчиками и др.) деталей более 40 наименований соси саттелитоЕ, зубчатые колеса с прямыми к винтовым зубом, конические колеса с круговым и прямым зубом, венцы с внутренним зубом, диски трения тяхелонагружен-

Номограмма для назначения параметров . технологических операций дорнования

л Íu/2Q i/¿a

0,00? QO/6 OftCS 0,007 0,СОТ

о,ооб oftiz qw

0,005 QOiO opas

0,00*1 0,001 0,№

0,003 0,006 OfiOS

0,002 0,004 0,001

o,oai 0,002 0,001

RblRi

л U¡2ait/2a KñW4

<£Josn4

Си

сдостаточные напряжения на

поверхности: &-ьй.а./й.а, 42й/2а ЛЙ-^-упругая деформация инструмента; Й-д-диаметр отверстия инструмента; ¡_р-расчетный натяг; С а - натяг по инструменту

Рис. 15

ных транспортных машин, цилиндры гидро- и пневмооборудования, рабочие колеса и- защитные втулки химических насосов, опорные колеса тормозные шкивы, детали опорно-поворотных устройств подъемных кранов и др.);

Расчетная эпюра остаточных напряжений при ГЛ7

- новые инструменты С в том числе, по а.с. 417475), установки Для ГЛУ'.(универсальные и автоматизированные специальные);

•- способ гидродробеструйного упрочнения по а.с. 3.16055;

- экспертные оценки причин нарушения работоспособности тяже-лонагруженных деталей и рекомендации по выбору оптимального метода и условий упрочнения для различных условий эксплуатации;

- рекомендации по применению мазок и ингибиторов коррозии в связи с ППД. .

Выбор 'метода (схемы и условий обработки ^режимов, инструмента), оснастки и др.) определяется их сравнительными'возможностями, качественная.и количественная оценка которых по различна« критериям выполняется согласно разработанной концепции, систематизирующей закономерности (модели) формирования параметров качества деталей ¡.шероховатости, остаточных напряжений, твердости, точности и др.)

устанавливающей общие принципы моделирования процессов ППД .

При невозможности обеспечения требований ертежа существующими методами ППД, необходимо синтезировать по-ый способ (схему) упрочнения из спрогнозированного в работе нап-авления развития ППД.. При отрицательно^ результате поиска (по ехнологическим, производственным, экономическим и др. причинам) ыдаются рекомендации технологу о других технологическим способах остижения цели (технических требований чертежа) и конструктору, о изменению, например, материала детали, ее термообработки, контру кции или,технических требований.

Реализация разработанного технологического обеспе-ения выполнялась ( в разных объемах) на 31 предприятии транспор-яого, химического, сельскохозяйственного, энергомашиностроения, .втомобилестроенкя и др,' отраслей. Часть результатов внедрения _ :риведена ниже.

Дорнование использовалось для повышения изностойкости работа колес и защитных втулок из стали 75Х28Л трех типов химических [ентробежных насосов Катайского насосоного завода. Изностойкость ;еталей повысилась на 40 % и достигла ресурса корпусных дегатей.

На Кусинском механическом заводе выполнялось комбинированное •прочнение валиков из стали 45 насосов типа НДС. Эксплуатация рас-:атанннх чугунных пневмоцилиндров вакууг.шох\о насоса, автомата моде-1И АП1-Д022О мм показала повышение долговечности с 30 месяцев (без 'прочнения) до 44 месяцев. Применение, червячного обкагкика (т=12) [ля упрочнения ¡зубьев колес уменьшает шероховатость зубьев,форми-

ует благоприятную -эпюру остаточных напряжений, повышает на 35 ..40/^долговечность зубчатых колес. Упрочнение обкатыванием и ком-инированной обработкой п'огонов опорно-поворотных устройств {.02000 м),.тормозных шкивов, опорных катков дизель-электроходных подъем-ых кранов типа ДЗК-161 и ДЭК-251 на Челябинском механическом за-еде позволило обеспечить экономию металла и, как показали ходовые спытания. повышение срока службы деталей с'4,5 лет (без упрочне-ия) до 6.6...8 лет. , . •

На основе диссертационной работы выполнено (ВШИТРАНСУА!Г, С,-етербург) гидродробеструйное упрочнение прямозубых цилиндрических олес из статл 12Х2Н4А (1Т1 = 6, ъ = 16 и 17)., конических колес'с ' ротовым зубом т*з стали 18Х2Н4'.'А (торцовый модуль Ш = 11,3,2=15

17), осей саттелитов (032,035,$40) из стали.20ХН4А-1Г, дисков" тре-г ия из стали ЗОХГСА; деталей 'типа венец (сталь ЗОХНЗА' с внугрен- "

ним зубом (т = 6, 2 = 49) на Курганском машиностроительном заво де; роликов транспортерных тележек из стали 45 (.070) на Кыштымск графито-каолиновом комбинате; косозубых шестерен из стали 45Х I ГП =3,75, 2 = 19 и 38) на АО УРМТРАК (ЧТЗ).

Оценка эффективности работы выполни лась следующими методами: независимые оценки параметров качества поверхностного слоя упрочненных деталей в рентгенлабораториях ЧГТУ, НПО "КОРПУС" ^.Екатеринбург). ИФМ УНЦ СССР, лаборатории голографии ЧГТУ; усталостные испытания во ВНЖГРАНСМАШ, С.-Петербу] гском государственном техническом университете. Курганском машиностроительном институте; ходовые испытания машин с упрочненными деталями на Курганском машиностроительном заводе и др.; наблюден! за упрочненными деталями при эксплуатации в условиях Алтая,Сибирр средней полосы России, Украины и Молдавии; экономический анализ эффективности внедрения методик проектирования операций, инструме тов и оборудования.

Шероховатость шлифованных шеек осей (при НХС>60) 040 уценьс лась после ГДУ сЙйО,59 доЯо.0,27...0,18, при уменьшении рассеива ния в партии с Яо.0,18 до Яй. 0,08. Шероховатость .зубьев колес т. = 6,5 (НЮ 51...53) уменьшилась сКа0,61 до|*а0,38...0,4. Микротвердость цементированных зубьев (при Н5С > 61) увеличилась на 25%. Лабораторные испытания образцов показали повышение долговеч ности в 1.7...3 раза, предела усталости на 9...10%, контактно^ долговечности на 37%. Стендовые испытания натурных шестерен на пульсаторе показали повышение предела выносливости в 1,47.раза по

сравнению с обработанными по серийной технологий. Контактная долговечность при испытаниях конической пары в узле машины повысилас после ГДУ не менее, чем на 25%.

Ддя учебно-информационного обеспечения развития ППД проводились школы-семинары в.ПИИ и на пре, прияткях; выполнено более 30 курсовых, дипломных и конкурсных работ, подготовлено учебное пособие по методике проектирования операций. инструмента и оборудования ППД для специальностей 1201, 1202,1713.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны, обоснованы и реализованы научные и технологические положения, совокупность которых является новым значительным постижением в развитии методов поверхностного пластического дефор-лирования как эффективного технологического средства управления качеством изделий, заключающееся в разработке общей для методов ШД концепции технологического обеспечения формирования поверхностного слоя деталей на основе математического моделирования остаточных напряжений и деформаций. Разработанная концепция обеспечивает выбор рационального метода и условий упрочнения.

2. Математические модели, разработанные на основе общей концепции обеспечивают расчет остаточных напряжений, деформаций и размеров изделий для наиболее типичных методов ППД: обкатывания, дорнования и гидродробеструйного упрочнения и служат основой для проектирования технологических операций других методов ЩЩ.

3. Впервые теоретически показано, что важнейшие закономерности формирования остаточных напряжений при ППД: возможность экстремума сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое упрочненных деталей и появления растягивающих остаточных напряжений

на поверхности, объясняются циклическим характером деформирования и возникновения при этом вторичных пластических деформаций.

4. Впервые показано, что суммарные остаточные напряжения при комбинированном упрочнении (1ВД + закалка ТВЧ) наследуют влияние ППД в основном через структурные деформации. . '

5. На основе установленных в. работе теоретических зависимостей учтено влияние разброса исходных параметров технологических операций (заготовок, инструмента, оборудования) на параметры качества поверхностного слоя и раскрыта сущность логических процедур при проектировании технологических операций при ШД.

6. На основе синтеза и анализа математических моделей разработаны методики проектирования наиболее типичных технологических операций ППД: обкатывания, дорнования. гидродробеструйного и комбинированного упрочнения, позволяющие обеспечить заданные параметры качества поверхностного слоя деталей.

7. Разработана методика проектирования эжекторов и гидросистем установок для гидродробеструйного упрочнения, обесдечивавдая

их эффективное использование в том числе и в новых установках, предложенных в работе.

8. Выполнены научно-технические экспертизы нарушений работоспособности машин и аналитические обзоры по ППД для НИИ и предпри ятий транспортного, энергетического, сельскохозяйственного машине строения и других отраслей, оснащающие технологические отделы методическими материалами по практическому использованию ППД. В отрасли транспортного машиностроения впервые введена операция ГДУ. Разработаны и внедрены новые технологические процессы, инструмент и оборудование, для ППД, обеспечивающие необходимый ресурс деталей более 40 наименований (втулок, осей, цилиндров, прямозубых и косс зубых колес , колес с внутренним зубом, конических колес с круговыми и прямыми зубьями, деталей крупногабаритных опорно-поворотных устройств, и др.), эксплуатирующихся в условиях Алтая, Сибири, Урала, средней полосы России, Украины и Молдавии. Полученные науч но-обоснованные результаты работы обеспечивают повшение эффектив ности подготовки производства, изготовления и эксплуатации деталей, упрочненных методами ППД.

Экономический эффект от сокращения затрат на подготовку производства, производство и эксплуатацию деталей при внедрении мето дик проектирования технологических операций, инструмента и оборудования для ППД составил около 500 тыс. руб. (в ценах до 1.1.91 г

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

• 1. Мазеин П.Г. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слос упрочненных деталей // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. - Челябинск: ЧПИ, - 1976.- - С. 140--'47.

2. Меньшаков В.М., Мазеин П.Г. Расчет тангенциальных остаточных напряжений в накатанных деталях //.Вестник машиностроения. -- 1576. - №11. - С. 26-28.

3. Цазеин П.Г., Позднякова И.В. Остаточные напряжения при наличии вторичных пластических деформаций в полом толстостенном цилиндре // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. - Челябинск: ЧПИ, ■■ 1978. - С. 128-133.

а

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны.обоснованы и реализованы научные и технологическ положения.совокупность которых представляет новое достижение в разви тии методов поверхностного пластического деформирования,заключающее в разработке общей концепции технологического обеспечения заданных качеств поверхностных слоев деталей на основе математического модели рования остаточных напряжений и деформаций. Разработанная концепция обеспечивает научно-обоснованный выбор рационального метода,схемы и условий упрочнения¡позволяет синтезировать схемы ППД;является осново для создания оптимизационной компьютерной модели процессов ППД.

2. Разработаны математические модели процессов ППД (обкатывания дорнования,гидродробеструйного упрочнения),являющихся характерными представителями основных принципиальных схем взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхность!} (трение качения,трение скольжения,удар). Модели реализувт основные принципы общей концепции;отражают важнейшие закономерности ППД;обеспечивают определение остаточны напряжений,деформаций и размеров изделий,использование зависимостей для расчета давления,площади контакта,параметров инструмента и выбор оборудования,прогнозирования параметров шероховатости и других показателей качества.

3. Впервые показано,что циклическим характером упруго-пластичес кого деформирования и вторичными пластическими деформациями при ППД обусловлены экстремальность сжимающих остаточных напряжений в .поверх ностном слое,появление растягивающих остаточных напряжений на упрочненной поверхности,а также механизм приспособляемости материала дета ли к пластическим деформациям. Установленные закономерности позволяю прогнозировать накопление повреждаемости и перенаклеп при обработке.

4. Впервые показано,что остаточные напряжения при комбинированном упрочнении (ППД+закалка ТВЧ) наследуют влияние ППД в основном через структурные деформации при закалке.

5. Впервые выполнен теоретический анализ чувствительности остаточных- напряжений в упрочненном слое к технологическим параметрам об работки. Показано,что остаточные напряжения при ГДУ наиболее чуьстви тельны к характеристикам материала детали,величине кинетической энер гии и расходу шариков,при дорновании - к характеристикам материала и величине натяга. Это позволяет учесть влияние разброса исходных пара метров технологических операций на параметры качества поверхностного слоя и точность упрочняемых деталей,раскрыть сущность логических процедур при проектировании технологических операций ППД,оценить наследование точности предшествующих упрочнению операций,необходимую точность оборудования и инструмента.

6. Разработаны методики проектирования технологических оп различных методов ППД,позволяющие¡обеспечить заданные качества верхностных слоев деталей,определить необходимые режимы обрабо' требования к материалу,шероховатости и размерам заготовок. Раз; но программное обеспечение для реализации методик на ПЬВМ.

7. Установлены функциональные .зависимости между конструкт! и эксплуатационными характеристиками эжекторных устройств уста1 для ГДУ.что позволяет обеспечить эффективное управление параме' технологического процесса,обуславливающими качество деталей. Р< тана методика определения оптимальных параметров гидросистем,р( ванная при проектировании новых установок.предложенных в работ<

8. Выполнены научно-технические экспертизы нарушений рабо-собности машин и аналитические обзоры по ППД для НИИ и предпрш транспортного,энергетического,сельскохозяйственного машиностро! других отраслей. В отрасли транспортного машиностроения впервы! дена операция ГДУ. Разработаны и внедрены новые технологически! цессы,инструмент и оборудование для ППД,обеспечивающие необход! ресурс деталей более 40 наименований (втулок,осей,цилиндров,пр; бых и косозубых колес,колес с внутренним зубом,конических коле! круговыми и прямыми зубьями,деталей крупногабаритных опорно-по: ных устройств и др.),эксплуатирующихся в условиях Алтая,Сибири средней полосы России,Украины и Молдавии. Полученные научно-об| ванные результаты работы обеспечивают повышение эффективности I тоски производства,изготовления и эксплуатации деталей,упрочне) методами ППД.

Экономический эффект от сокращения затрат на подготовку п; водства,производство и эксплуатацию деталей при внедрении мето, проектирования технологических операций,инструмента и оборудов. для ППД составил около.500 тыс.руб. (в ценах до 1.1.91г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих ;

1. Мазеин П.Г. Распределение остаточных напряжений в пове ном слое упрочненных деталей // Прогрессивная технология чисто отделочной обработки. - Челябинск:ЧПй,1976. - С. 140-147.

2. Меньшаков В.М.,Мазеин П.Г. Расчет тангенциальных остат напряжений в накатанных деталях // Вестник машиностроения. - I1 * II. - С. 26-28.

3. Мазеин П.Г.,Позднякова И.В. Оотаточные напряжения при чии вторичных пластических деформаций в полом толстостенном ци /'/ Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. -бинск:ЧПй, 1978. - С. 126-133.

■ зь

4. Мазеин П.Г. Аналитический расчет напряжений при поверхностном пластическом деформировании //Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. - Челябинск: ЧПИ, 1980. - С.102-108.

5. Мазеин П.Г. Прогнозирование размеров деталей после выглаживания отверстий //Исследования-в области технологии механической обработки и сборки. - Тула: ТЛИ, 1983. - С.141-144.

6. Меньшаков В.М..Млзеин П.Г. Остаточные напряжения и размеры при выглаживании отверстий //Физика и технология обработки поверхности металлов. - Ленинград:ФТИ АН СССР, • 1984.С.164-169.

7. Мазеин П.Г. Влияние вторичных пластических деформаций на остаточные напряжения при выглаживании отверстий // Повышение эк-сплуатацинных свойств деталей и инструмента технологическими методами. - Иркутск: ИПИГ 1988. - С.74-82.

8. Ковалев P.M.,Мазеин П.Г. Теоретическое и экспериментальное исследование параметров обкатывания шариками // Деп. во БНИИТЗМР. -1990. - № 163. - 72 с.

10. Ковалев P.M., Мазеин П.Г. Комбинированное упрочнение деталей машин // Деп. во ВНИИТЭМР. - 1990. - № 164. - 54 с.

11. Мазеин П.Г. Технологическое обеспечение операции выглаживания отверстий жестким инструментом //Аналитический обзор Js 4993. - М.: ЦНИТИ, 1990. - 61 с.

12. Мазеин П.Г: Технологическое обеспечение операции обкатывания деталей шариком // деп. во'ВНИИТЭМР. 1990. - №162. - 72 с.

13. Мазеин П.Г.,, Кастерин A.B. Взаимосвязь режимов и остаточных напряжений при ГдУ Ц Тез докл. Всес. н/т конф. /Остаточные напряжения - резерв прочности в машиностроении. - Ростов-на-Дону: РИСШ, - 1991. - С. 49-51.

14. Мазеин П.Г. Вероятностная модель остаточных напряжений при гидродробеструйном упрочнении //Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. -ЧелябинскfЧЕТУ,1-1993.-С.75-89.

15. Мазеин П.Г. Идентификация технологических параметров при гидродробеструйном упрочнении //Деп. в ВИНИТИ Jf322-B94.-1994.-50c.

16. Мазеин П.Г. Методика проектирования операций, инструмента и оборудования-'для ППД. - Челябинск: ЧГТУ. - 81 с. (в печати).