автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности технологии упрочнения валов поверхностным пластическим деформированием путем создания в них заданной системы остаточных напряжений

На правах рукописи

//

//¡л,

/

ТРУНИН Александр Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ВАЛОВ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ПУТЕМ СОЗДАНИЯ В НИХ ЗАДАННОЙ СИСТЕМЫ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность: 05.02.08 - «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00556848?.

13 МАИ 2015

Ростов-на-Дону 2015

005568482

Работа выполнена на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель: Сидякин Юрий Иванович,

доктор технических наук, заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: Болдырев Александр Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Лебедев Валерий Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет».

Ведущая организация ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»,

г. Москва

Защита состойтся «16» июня 2015 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ и на сайте www.dstu.edu.ru

Автореферат разослан 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор , В.Э. Бурлакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Повышение надежности и долговечности валов является одной из главных задач современного машиностроения. Для поддержания требуемой работоспособности валов, чтобы искусственно не ограничивать их ресурс или смягчать нагрузочный режим эксплуатации, широко применяют различные технологические методы упрочняющей обработки. Среди них особое место занимают механические способы, основанные на поверхностном пластическом деформировании (ППД). Наиболее эффективным, доступным и широко распространённым среди них является обкатка деталей роликами или шариками.

Проблемы, возникающие при осуществлении операций ППД, относятся, в основном, к области технологии, т.е. к поиску наиболее рациональных режимов обработки, позволяющих существенно повысить пределы выносливости валов и гарантировать получение в них заданных значений остаточных сжимающих напряжений, ответственных за уровень циклической прочности валов.

В настоящее время основным средством оценки уровня остаточных напряжений являются весьма трудоемкие экспериментальные методы, связанные, как правило, с разрушением деталей. Несомненно, что в этих условиях больший научный и практический интерес представляет возможность не только расчетного прогнозирования величины и характера распределения остаточных напряжений по толщине пластически деформированного слоя валов, но и целенаправленного (с учетом конкретных эксплуатационных требований) управления значениями этих напряжений в процессе ППД. Это особенно важно на стадии ранней конструкторской и технологической подготовки производства, когда создаваемый комплекс служебных свойств поверхностного слоя детали будет наиболее полно адаптирован к условиям её эксплуатации. Вот почему одной из основных задач настоящей работы, помимо исследования общих сторон напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя валов при ППД, является разработка технологического обеспечения этих процессов с максимальным использованием резервов прочности материалов и создание аналитического метода расчетного определения получаемых при этом значений остаточных напряжений (в основном, осевых и окружных). Именно в этом видится не только актуальность данного исследования, но и перспективность работ по этому направлению в целом.

Цель работы заключается в повышении эффективности технологии упрочняющей обработки валов ППД за счет наиболее полного использования прочностных свойств материалов и получения требуемых по условиям эксплуатации значений остаточных сжимающих напряжений заданной .интенсивности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить теоретическое и экспериментальное исследование остаточного напряженно-деформированного состояния материала вала при различных способах контактного нагружения, определить компоненты интенсивности упруго-пластической контактной деформации и установить в пределах толщины упрочненного поверхностного слоя их взаимосвязь с остаточными напряжениями;

2) исследовать закономерности изменения интенсивностей контактной деформации и остаточных напряжений в очаге деформации при различных технологических режимах обработки валов с применением методов ППД;

3) получить решение задачи по расчётному определению осевых и окружных остаточных напряжений в валах после обработки ППД, представив аналитические зависимости в удобной для практического применения форме;

4) выполнить опытную проверку полученного аналитического решения по остаточным напряжениям и разработать программу расчета этих напряжений в валах с выбором рациональных технологических режимов их обработки ППД;

5) разработать практические рекомендации по назначению технологических режимов упрочняющей обработки валов ППД, включая выбор рабочей нагрузки, формы и геометрических размеров инструмента, скорости обкатки и подачи, обеспечивающих наибольшую эффективность процесса упрочнения с получением требуемых по условиям эксплуатации значений остаточных напряжений.

Объект исследования

Объектом диссертационной работы являются крупные валы из конструкционных сталей средней твердости, в поверхностном слое которых после ППД сформировано заданное поле остаточных сжимающих напряжений.

Научная новизна

Разработана методика технологического и инструментального обеспечения процессов упрочняющей обработки валов ППД путем обкатки их роликами (шариками) при максимальном использовании прочностных свойств материалов.

Сформулирован механизм образования остаточных напряжений в валах при ППД и предложен аналитический метод прогнозирования величин и характера распределения этих напряжений по толщине упрочненного слоя.

Разработан алгоритм расчёта рациональных режимов обработки валов с выдачей технологических параметров процессов ППД (силы обкатки, геометрических размеров инструмента, подачи и пр.), позволяющих получать в валах требуемые по условиям эксплуатации значения остаточных напряжений.

По расчёту остаточных напряжений в валах при ППД получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012610126.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты теоретического и экспериментального исследования остаточного напряженно-деформированного состояния материала вала при различных видах и способах контактного нагружения;

- зависимость остаточных напряжений от интенсивности упругопластиче-ской контактной деформации в пределах толщины упрочненного слоя, а также формы и геометрических размеров упрочняющих инструментов;

- аналитическое решение задачи по определению значений осевых и окружных остаточных напряжений в валах после обработки ППД;

- алгоритм расчета остаточных напряжений в валах при любых, включая рациональные, технологических режимах обработки с назначением силы обкатки, формы и геометрических размеров инструмента, подачи и пр.;

- практические рекомендации по назначению рациональных технологических режимов упрочняющей обкатки валов роликами или шариками.

Методы исследования. При исследовании применялись: основы технологии машиностроения, классическая теория упругости и пластичности, принципы и методы сопротивления материалов, методы математической статистики, паке-

ты прикладных программ («Mathcad-7» и пр.), а также характеристика материала - контактный модуль упрочнения НД (ГОСТ 18835-73).

Достоверность результатов исследования, научных положений и выводов подтверждена многочисленными экспериментальными данными по остаточным напряжениям в валах, опубликованными в технической литературе отечественными и зарубежными исследователями в разное время, корректным использованием современных методов исследования с привлечением вычислительной техники, практическим освоением предлагаемой технологии упрочнения валов.

Практическая значимость работы заключается в:

1) совершенствовании технологического обеспечения традиционных процессов ППД валов из конструкционных сталей средней твердости путем применения на стадии технологической подготовки производства разработанной методики расчётного определения рациональных режимов их упрочняющей обкатки роликами, включая силу обкатки, геометрические размеры инструмента, подачу и пр., при максимальном использовании прочностных свойств материалов;

2) возможности контроля получаемых при обкатке валов значений остаточных напряжений заданной интенсивности и характера их распределения по толщине упрочненного слоя на основе созданного аналитического решения.

Внедрение результатов исследования. Результаты работы приняты к внедрению на предприятии ООО «Поршень» г. Волжский Волгоградской области и используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета по направлению 151900 магистерской подготовки. Акты внедрения представлены в приложении.

Диссертация выполнена в рамках исследований по госбюджетным НИР:

- г/б 12-3/155-1-09 Технологическое и инструментальное обеспечение упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработок валов ППД;

- г/б 12-53/445-1-12. Исследование отделочно-упрочняющей обработки и инструментального обеспечения процессов ППД.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует п. 3 «Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения» и п. 7 «Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин» паспорта специальности 05.02.08.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-ей межд. конф. «Деформация и разрушение материалов и на-номатериалов» DFMN'2009, ИМет им. A.A. Байкова РАН (г. Москва, 2009); на Всероссийской научно-техн. интернет-конф. с межд. участием «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2010); на Всероссийской научно-практ. конф. «Наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Ишимбай, 2012); на IV-ой межд. научно-техн. конф. «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (г. Рыбинск, 2012); на П-ой межд. научно-практ. конф. «Технические науки - основа современной инновационной системы» (г. Йошкар-Ола, 2013); на 16-ой межд. научно-практ. конф. «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2014); на ежегодных научно-техн. конф. ВолгГТУ (г. Волгоград, 2007-2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 7 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 141 наименования и 7 приложений. Материал изложен на 137 страницах, содержит 28 рисунков и 10 таблиц. Общий объем работы 172 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, цель и основные задачи исследования, краткое изложение научных результатов, выносимых на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния в области сопротивления материалов упругой и упругопластической контактным деформациям твердых тел применительно к технологическим процессам ППД. Практическая значимость рассматриваемой проблемы обуславливает важность фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований в этой области.

Основоположником решения классических контактных задач по праву считается Герц. Полученные им соотношения для размеров площадки контакта, сближения и наибольшего давления до настоящего времени успешно используются в технических расчетах. Заметный вклад в развитие теории упругого контактного взаимодействия тел внесли такие учёные как А.Н. Динник, Н.М. Беляев, И.Я. Штаерман, Н.И. Мусхелишвили, А.И. Лурье, Л.А. Галин, М.В. Коров-чинский, Л. Гудмен и др. Наличие в зоне силового контактного взаимодействия тел не только упругих, но и упруго пластических деформаций накладывает дополнительные условия на процессы нагружения и деформирования рабочих поверхностей деталей во время их эксплуатации. К сожалению, контактная задача пластичности, аналогичная упругой задаче Герца, в полном объеме пока не решена. Исключением является только работа А.Ю. Ишлинского о вдавливании жесткого сферического индентора в идеально-пластическое полупространство.

Другой, важной областью приложения теории контактного взаимодействия тел является сопротивление материалов контактной упругопластической деформации применительно к процессам ППД. Заметную роль здесь играют исследования В.Ю. Блюменпггейна, В.М. Браславского, В.Ф. Безъязычного, А.И. Болдырева, М.С. Дрозда, A.B. Киричека, И.В. Кудрявцева, Д.Д. Папшева, Ю.Г. Проскурякова, М.М. Саверина, C.B. Серенсена, В.М. Смелянского, М.А. Тамар-кина, Л.М. Школьника, П.А. Чепы и др. в связи с разработкой технологического и инструментального обеспечения процессов ППД. Поэтому подробно рассмотрены современные методы и средства исследования и расчёта контактных деформаций, а также геометрических параметров очага деформации. При этом широко используется такое понятие как «контактный модуль упрочнения» или пластическая твердость НД (ГОСТ 18835-73). Эта характеристика материала в отличие от твердости по Бринеллю HB не зависит от степени нагружения, поэтому расчётные зависимости, основанные на ней, могут быть представлены простыми соотношениями между силовыми и деформационными факторами.

Особое место уделено роли поверхностного слоя и значению остаточных на-

пряжений в повышении пределов выносливости валов. Дана оценка современным теоретическим и экспериментальным методам исследования остаточных напряжений. Отмечено, что в практике машиностроительных предприятий в основном доминируют экспериментальные методы, которые отличаются большой трудоёмкостью и предполагают частичное или полное разрушение готовых изделий. Поэтому востребованность в надёжных аналитических методах расчёта остаточных напряжений, которые особенно полезны на стадиях предварительной конструкторской и технологической подготовки производства, когда создаваемый комплекс служебных свойств поверхностного слоя детали необходимо наиболее полно адаптировать к условиям её эксплуатации, существенно возрастает.

По результатам литературного обзора обозначена проблема предстоящего исследования, поставлена цель работы, сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию интенсивности уп-ругопластической контактной деформации е,(г) и её компонент е,(г) и е1(г), которые требуются для решения основного дифференциального уравнения равновесия (7) применительно к остаточному напряженному состоянию поверхностного слоя вала. Проблема в их определении заключается в том, что при обкатке вала роликом упругопластическая деформация не является осесимметричной относительно линии действия контактной нагрузки и изменяется нелинейно по толщине этого слоя. Современная теория пластичности не располагает пока общим решением подобной контактной задачи для тел, ограниченных поверхностями произвольной формы и кривизны. Поэтому в данном исследовании широко используется относительно простой математический аппарат осесимметричной контактной задачи Герца. Для этого была создана физико-математическая («сферическая») модель упругопластического контакта тел, ограниченных в общем случае гладкими поверхностями двоякой кривизны (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема остаточной вмятины с эллиптическим контуром к обоснованию «сферической» модели упругопластического контакта тел

Суть моделирования заключается в том, чтобы получить расчетные геометрические параметры профилей эллиптической вмятины в сечениях плоскостями главных кривизн в пределах контура отпечатка с полуосями а и Ь на поверхно-

А У^ 7г

_ег2(0)

2,

сти вала, используя только решение классической контактной задачи Герца. Специальный подбор диаметров А, и 5, шаровых инденторов и контактных

нагрузок ^ и и где основная нагрузка, Р=Ь/аа^А/В, А

и В - наименьшая и наибольшая главные кривизны поверхностей тел в точке их сопряжения) обеспечивал не только постоянство глубин А всех отпечатков, но и адекватность их форм и размеров в соответствующих главных плоскостях кривизн поверхностей тел, т.е. при 1\= }ц= к получаем «2а и 4 «26.

При обкатке вала диаметром £>в тороидальным роликом, имеющим диаметр £>р в плоскости обкатки и радиус г профиля, или шариком диаметром £>ш:

/ид.-'+АГ1, Я = 0,5г-' и Л = ЦД £ = £>„,"'+АГ' . (1)

На основе этой «сферической» модели при переходе к остаточной вмятине с эллиптическим контуром, большая 2а и малая 2Ь оси которого совпадают соответственно с тангенциальным (/) и осевым (х) по отношению к валу направлениями, установлено соотношение между деформациямй е,(г) и вх(г) в виде:

У1=^,/е1(1)=(РС1/С2)1"4' . (2)

При соблюдении закона постоянства объёма при пластической деформации е,(,)=-б,(1,/(1+у,) и е,(г) =-£^/(1 + 40 , (3)

где е1(г) - относительная радиальная деформация на линии действия нагрузки, которая связана с интенсивностью контактной деформации е((г) уравнением

е1(,у=-кр(,)еФ1 =*№со—'ехр(-с'—) = £,,0ехр(-Лг) . (4)

В выражениях (2)-(4): - глубина наклёпанного слоя, кг = г/г, - относительная координата, е, 0 - интенсивность деформации в центре остаточной вмятины (равно, как и на поверхности вала), кН2) = /(у,) - коэффициент, зависящий только от соотношения между компонентами интенсивности деформации, с, и сг - коэффициенты, определяемые в общем случае по формуле с = 1п(е10/Дб) для каждого из двух сферических инденторов при стандартном допуске на остаточную деформацию Де = 0,002; при этом с0 = £( 0г,/(¿р(0)й) и ~с = 1п[е, 0 /(Ае • Атр(0))]. При

осесимметричной деформации =1, поэтому к^ = ¿¡¡(0) = 1 и с„=с*=с.

Анализ зависимости (2) приводит к заключению, что соотношение между осевой и тангенциальной относительными деформациями на всём протяжении пластически деформированной области не является, как принималось ранее, постоянным, и по мере удаления от поверхности вала разница между этими деформациями непрерывно уменьшается и исчезает полностью на глубине г,.

Экспериментальная проверка адекватности «сферической» модели реальному упругопластическому контакту тел произвольной кривизны, выполненная для различных схем контакта тел (р = 0,56...0,83) с использованием образцов из конструкционных сталей различной твёрдости: сталь 20 (стт =290 МПа, НД1470) и сталь 45Х (стт =550 МПа, НД2530), прошла вполне успешно.

Для установления взаимосвязи интенсивности контактной деформации с остаточными напряжениями в упрочненном слое использовали степенную аппроксимацию диаграммы деформирования <?,(£,) материалов и распространили её на упругопластический контакт тел (при активном нагружении) в виде

где дополнительно а1(г) - интенсивность напряжений нагрузки, е^(г)=аКг)/Е -упругая составляющая интенсивности контактной деформации, а параметры

определяют по исходным механическим свойствам: временному сопротивлению сгв и условному пределу текучести ст0 2, адаптированным к размерам вала, а также модулю упругости Е и предельной равномерной деформации ер материала.

Установлено, что не только в различии значений деформаций е,(г) и е,(1)> но и в их экспоненциальном характере развития в пределах толщины пластически деформированного слоя на стадиях активного нагружения и упругой разгрузки кроется основная причина возникновения остаточных напряжений.

В третьей главе приведены результаты аналитического исследования остаточных напряжений в поверхностном слое валов. По величине этих напряжений, глубине их распространения и степени физического упрочнения материала при наклёпе судят об эффективности технологических процессов ППД.

Вопросы выбора рациональных глубины наклепа z* и степени физического упрочнения материала валов при ППД нашли принципиальное решение в работах М.С. Дрозда и Ю.И. Сидякина. Установлено, что максимального приращения предела выносливости валов можно добиться, если процесс ППД проводить при режимах, обеспечивающих на поверхности вала интенсивность остаточной деформации ё,(0 близкой по значению к предельной равномерной деформации sp, т.е. при е, 0 яер. При этом в соответствии с обобщенной диаграммой деформирования материалов а,(г,) интенсивность остаточных напряжений а° первого рода должна по величине приближаться к временному сопротивлению ств. При отде-лочно-упрочняющей обработке, разумно сочетающей в себе относительно высокий уровень физического упрочнения материалов с обеспечением минимальных параметров шероховатости поверхности, достаточно принять е, 0 « 0,8ер .

Среди теоретических разработок по остаточным напряжениям в валах при ППД имеется известное решение М.С. Дрозда (1958 г.). Несмотря на его приближенный характер, вследствие принятых допущений (деформация считалась симметричной относительно линии действия нагрузки и линейно изменяющейся по толщине упрочненного слоя; не учитывались в нем, даже косвенно, сдвиговые деформации и пр.), решение получилось относительно простым и содержало весьма важный для практики вывод: максимальных значений, равных повышенному вследствие наклёпа пределу текучести материала вала, окружные и осевые остаточные напряжения достигают в близлежащих к поверхности слоях вала.

(5)

1д(<тв/сто,2)

(6)

При исследовании остаточных напряжений в валах полагаем, что при достаточной длительности обработки, когда процессы деформирования стабилизируются, итоговое напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя будет близким к тому, которое получается при монотонном нагружении: деформация становится однородной в концентрических цилиндрических слоях и симметричной относительно оси вала. Тогда с достаточно точным для практики приближением процессы обкатки валов роликами можно условно рассматривать как монотонные, а весь процесс обработки считать состоящим из двух этапов -нагружения и упругой разгрузки; в результате чего итоговое напряженное состояние, будет также симметричным относительно оси вала. Возможные структурные изменения в пластически деформируемом объёме не учитываем.

При рассмотрении вала как сплошного цилиндра (рисунок 2), в поверхностном слое которого после обкатки роликом сформировано поле остаточных напряжений интенсивностью считаем, что пластическая деформация распространяется на глубину от его поверхности, т.е. до уровня р = р* (р - текущий радиус), при этом область, для которой 0 < р -< р*, остаётся в упругом состоянии.

1,0

0,8

о „с" 0,6

Е 0,4

0,2

+ -^

+ • *

• > \ в X в

/ X - 1 + -2

/ » - 3 в - 4

0

0,2

Рисунок 2 - Схема контакта тороидального ролика с валом при его обкатке и напряженно-деформированное состояние упрочненного поверхностного слоя

0,4 0,6 0,8 1,0 еГ,о/£р

Рисунок 3 - Зависимость относительной интенсивности остаточных напряжений от относительной расчётной интенсивности контактной деформации: 1-4 - данные В.М. Браславского, П.А. Чепы, Л.М. Школьника и В.И. Шахова

Условие равновесия элемента вблизи поверхности вала, по главным граням которого действуют нормальные остаточные напряжения: радиальное о°, тангенциальное (окружное) а° и осевое а° (все напряжения условно приняты положительными, т.е. растягивающими), описывается известным уравнением

Ф , йо° Р ст° - о?

= 0

(7)

Для решения уравнения (7) используем закономерности изменения е,(г) по глубине упрочненного слоя (см. гл. 2), а также её взаимосвязь с интенсивностью напряжений ст,(г), в том числе, и остаточных, на любом его уровне г (или р).

Для оценки интенсивности последних использовали зависимость

садко/ер}1, (8)

полученную на основе (5) с учётом остаточного напряженного состояния. Здесь е£0 - расчётная интенсивность деформации на поверхности вала.

Значения п в уравнении (8) нашли на основе математической обработки данных экспериментальных исследований по остаточным напряжениям в валах после ППД, приведенные в работах В.М. Браславского, П.А. Чепы, JI.M. Школьника и В.И. Шахова (рисунок 3). Подавляющему большинству этих данных соответствует п = 0,5...0,6; в инженерных расчетах можно принимать п = 0,57.

Уравнение (7) содержит разность радиальных и тангенциальных остаточных напряжений о°г-а°. Для её определения воспользовались известной из теории упругости зависимостью интенсивности напряжений ст;{г) от её компонент ст,(г), а,(г) и ст1{г) и дополнительно ввели в рассмотрение новый параметр Я.(г)

*■<») = (°/°(z) ))/(S<(z) -ех(г)) » (9)

который по физическому смыслу довольно близок к такому понятию как остаточный секущий модуль сдвига материала (при развитой упругопластической деформации). Это, в какой-то мере, очевидно, поскольку разность напряжений в числителе формулы (9) пропорциональна касательному напряжению, а в знаменателе - сдвиговой деформации. В результате этой операции нашли

~ *?<,> = - Х(1)е/(1)Ср(1)), (10)

гДе Срм = k(о " )/е,м = *к„ (l - у, )/(l + у,) . (11)

Очевидно, что решение уравнения (7) возможно, если подкоренное выражение в зависимости (10) будет положительным, т.е. значение параметра Х(2) не будет превышать некоторого предельного Хкр(г), которое назовем «критическим». Таким образом, должно обязательно выполняться'условие

) , (12) В связи с отсутствием общего решения упругопластической контактной задачи оценку в первом приближении характера зависимости Х(1) от определяющих его факторов сделали на основе решения осесимметричной контактной задачи о напряжениях в упругопластическом полупространстве, полученного А.П. Осипенко в 1977 г., с привлечением «сферической» модели, т.е. по параметрам статического нагружения, и известной теоремы о разгрузке A.A. Ильюшина. Для этого из напряжений, возникающих в теле на активном этапе нагружения (or(z), ст,(2) и ст1(г)), вычитали упругие напряжения, присутствующие в теле на момент начала разгрузки (о£(1), af(j) и а£(1)). Применительно к этим условиям

! _ (g«z).c ~a!(i).c)~(g»(»).c ~°?(z).c)

Ам,с---——-, (13)

fcr(t) b*(z)

где согласно «сферической» модели под каждым из двух шаровых инденторов

аКг),с = CTr(z),l + CT/(z), 1 И Cj(z) c = Сг(г)>2 + СТ((г) 2 . (14)

Для определения напряжений разгрузки ст^ 0 и 0 в пластически деформированной области использовали решение Тейбора, которое адаптировали к реальной кривизне поверхности контакта, т.е. с учетом различий упругих деформаций сферических инденторов и остаточных вмятин на момент разгрузки.

Решением уравнения (7) в традиционной системе координат, когда ось вала совпадает с осью х, а тангенциальное и радиальное направления соответственно с осями г и г (или г), при р = Я-г (см. рисунок 2) с учетом полученных зависимостей, адаптированных к процессам обкатки валов, будет

<Ь

Л-2

(15)

Далее, путем совместного решения уравнений (10) и (9) с учетом выражения (15) найдем законы изменения тангенциальных а°(г) и осевых а°(г) остаточных напряжений по толщине пластически деформированного слоя вала: = -0,5^4(а° - з(х(2)е;Сг)Ср(2) ^ -\ЛЕ11ЛСМЛ) + а°г.

(16)

а*)=ак.)+\.)в,ыСт . (17)

Предварительные расчеты по формулам (15)-(17) при Х(г) = с показали небольшое расхождение с экспериментальными данными для равноценных по силовым и геометрическим характеристикам процессов обкатки и однократного нагружения. После незначительной корректировки, учитывающей наличие при обкатке валов не только слабо выраженного максимума контактной деформации на малой глубине от поверхности, но и сдвиговых деформаций в направлениях подачи и качения ролика, а также возможность независимого контроля реализации условия (12), которое, как видно из рисунка 4, практически всегда выполняется автоматически, параметр Я(г) рекомендуется рассчитывать по выражению

Ч) * (*гЧо../\о)Л1~кгУ ехр(-2сЧ,), (18)

где коэффициент ку ~ 0,23...0,26 отражает реальное соотношение, установленное Ю.И. Сидякиным, между экспериментальными и расчётными значениями

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

у

-Ы-

\ V

Рисунок 4 - Изменение параметра с = -

по толщине пластически деформированного слоя вала диаметром 100 мм: 1-НД1800 (е( 0 »0,8бр)при £>р =80 мм,

г =8,6мми ^ =21,7кН; 2 - НД2600 (е, 0 » Ер) при £>р = 100 мм, г = 9,6 мм и ^ = 28,6 кН.

2

г, мм

сдвиговых деформаций и итоговой интенсивностью контактной деформаций на поверхности вала при ППД. В практических расчетах принимаем ку = 0,25, по-

скольку при обкатке валов невозможно полностью исключить трение в контакте и его влияние на деформационные процессы в контактной зоне.

Для проверки предлагаемого метода расчета остаточных напряжений в валах при ППД были использованы многочисленные экспериментальные данные, полученные на натурных валах В.М. Браславским, Д.Д. Папшевым, П.А. Чепой, Л.М. Школьником и др. Частично её результаты показаны на рисунках 5 и 6.

МПа

Ъ, мм

-240 -200

-160

о;, МПа

-120 -80

-40

40

2-

1 ^ 6-

X, мм

Рисунок 5 - Распределение окружных остаточных напряжений в упрочнённом слое вала Г>а = 230 мм из стали 50 (отжиг) при обкатке роликом (£)р= 105 мм, г = 12 мм) силой Г = 14,7 кН;

1 - эксперимент (данные В.М. Бра-

славского);

2 - расчёт по предлагаемому методу.

Рисунок б - Распределение осевых остаточных напряжений в упрочнённом слое вала £>в = 160 мм из стали 45 (норм.) при обкатке роликом ( £>р = 100 мм, г = 24 мм) силой Р = 22 кН;

1 - эксперимент (данные П.А. Чепы);

2 - расчёт по предлагаемому методу.

Данная проверка практически полностью подтвердила обоснованность выдвинутых в настоящей работе положений, которые позволили в лучшей степени адаптировать теоретические разработки к практическому применению.

В четвертой главе рассмотрено технологическое и инструментальное сопровождение процессов упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработок валов ППД путем обкатки их роликами (или шариками) с возможностью контроля получаемой в них заданной системы остаточных напряжений. Под ней понимаем вполне определенную совокупность всех трёх компонент интенсивности напряжений, которая характеризует объемное напряженно-деформированное состояние материала вала. Сформулированы рекомендации по практическому применению данных разработок на машиностроительных предприятиях.

Технологическое обеспечение процессов ППД предусматривает, в основном, определение силы обкатки и геометрических размеров инструмента. Значение первой находят при и величине е, 0, соответствующей требуемому уровню интенсивности остаточных напряжений а° (см. с'. 10), по формуле

£рЛ1п(500е1о) "'чю^ '

(19)

в которой дополнительно Р0>10 - нагрузка на индентор диаметром 10 мм, при которой в центре контакта тел зарождается пластическая деформация.

При использовании в качестве обкатных инструментов тороидальных ро-

ликов следует иметь в виду, что увеличение кривизны их рабочих поверхностей, главным образом, радиуса профиля, было и остаётся важным резервом повышения эффективности обкатки за счёт повышения степени наклёпа и снижения рабочих нагрузок. Поскольку для уменьшения волнистости обработанной поверхности диаметр £)р ролика в плоскости обкатки принято назначать кратным диаметру вала, то расчётом определяют, в основном, радиус г профиля ролика. Для этого можно рекомендовать следующую упрощенную зависимость:

при обкатке вала шаром его диаметр £>ш назначают стандартным и близким по значению к найденному по аналогичному (20) выражению, полагая £>ш = £>р = 2г.

Обкатку валов роликами (шариками), как это принято, рекомендуется выполнять в один проход при скоростях до 100 м/мин с подачей 5 » (0,20...0,24)6.

Предлагаемая методика назначения технологических режимов ППД рассчитана на обработку гладких участков ступенчатых или торсионных валов. Исходными данными для расчёта являются размеры вала и его материал, т.е. качественный состав стали (легированная или обыкновенная углеродистая), и, либо его твердость НД (или НВ), либо механические свойства (с02 и ств). При этом определение параметров режимов обработки и остаточных напряжений может проводиться по двум программам: первая предусматривает известный заранее уровень получаемых остаточных напряжений заданной интенсивности (а°/ств), который необходимо обеспечить в поверхностном слое вала при ППД, и здесь неважно, будет ли достигнут максимальный упрочняющий эффект или нет; вторая - заведомо настроена на получение максимальной эффективности от процесса ППД, т.е. обработки при наиболее полном использовании прочностных свойств материалов и достижением низкой шероховатости поверхности.

Ниже, на рисунке 7, приведена блок-схема расчёта режимов упрочнения валов ППД по 1-ой программе с контролем получаемых остаточных напряжений заданной интенсивности. Поскольку между ней и е,{1) существует устойчивая

взаимосвязь, описываемая уравнением (8), необходимо оценить получаемое при этом значение е,. 0, сопоставив его с величиной ер; затем рассчитать геометрические размеры (£>р и г или Вш ) упрочняющего инструмента и назначить режимы обработки вала: рабочее усилие, скорость обкатки, подачу. Результаты расчета по этой программе для ряда значений а°/ав приведены в таблице 1.

В таблице 2 в качестве примера приведены значения тангенциальных и осевых остаточных напряжений на поверхности (о°(0), ст°(0)) и в глубине пластически деформированного слоя (ст° тах, о°Ш1Х, ст° ти) валов после их обкатки роликами, рассчитанные по П-ой программе для различных видов обработки.

Алгоритм расчёта предусматривает следующую последовательность операций. Для заданного вала по известным значениям твердости НД (или НВ) или механическим свойствам определяют предельную равномерную деформацию г

(20)

15

^ 11а' шло

Сталь (\тлеролистая или легированная): твердость 11Д в МПа: диаметр вала Оп в мм: относительная интенсивность ОН ст°/о„

-1-

Рисунок 7 - Блок-схема расчбта технологических параметров режимов упрочнения

валов ППД и контроля остаточных напряжений заданной интенсивности а° /о.

Таблица 1. - Расчётные параметры технологических режимов обкатки валов роликами и ожидаемые значения остаточных напряжений

нд А, Е|.о/бР о, А £ _0 я — О

МПа мм - МПа ■ - мм кН мм/об МПа

1800 75 0,136 536 0,6 0,47 75/12,5 12,7 0,31...0,37 -297 -288

120 530 0,8 0,72 100/11,5 31,0 0,42...0,50 -391 -377

2250 100 0,109 640 0,7 0,58 100/20,5 31,4 0,64... 0,76 -418 -407

160 632 0,8 0,71 160/20,0 64,3 0,59...0,71 -472 -459

2750 150 0,089 744 0,5 0,35 150/35,8 49,4 0,59...0,70 -352 -344

0,7 0,58 150/21,3 49,1 0,50...0,60 -489 -478

3000 180 0,082 793 0,6 0,46 180/25,1 56,4 0,52...0,63 -450 -440

0,8 0,71 180/16,4 57,1 0,46...0,56 -597 -583

Таблица 2. - Расчётные остаточные напряжения в валах при обкатке роликами

НД А, £ F — О СТ1(0) „О а 40) _0 ° 1, шах ^ х, шах шах 0 пшх

МПа мм мм/об кН МПа -

а) упрочняющая обработка (выполнение условия б( 0 я£р)

2000 50 50/3,5 0,16...0,19 6,3 -487 -316 -542 -522 538 0,91

100 100/6,6 0,31...0,37 24,0 -479 -311 -533 -513 529

200 150/10,6 0,51...0,62 67,5 -470 -305 -524 -505 520

3000 25 25/3,9 0,12...0,15 3,0 -688 -447 -775 -755 777 0,93

100 100/9,3 0,31...0,38 26,8 -663 -431 -750 -732 750

250 190/14,0 0,51...0,62 86,7 -648 -421 -735 -719 732

б) отделочно-упрочняющая обработка (выполнение условия Е, 0 « 0,8бр)

2500 50 50/8,1 0,23...0,27 9,0 -505 -328 -569 -554 570 0,80

150 150/15,5 0,49...0,58 52,5 -491 -319 -555 -541 554

3500 25 25/5,8 0,14...0,17 3,6 -672 -436 -759 -740 763 0,81

100 100/10,5 0,29...0,35 24,2 -648 -421 -733 -720 737

300 150/17,3 0,51...0,61 81,1 -630 -409 -719 -705 716

и уточняют значения стт (ст0 2), ств (5В) с учётом масштабного фактора. Затем назначают оптимальную глубину наклёпанного слоя и рассчитывают технологические параметры режимов обработки. После этого приступают непосредственно к определению остаточных напряжений, основываясь на выражениях (15}-{17), при этом предварительно находят е,(г) (см. ф. 4), с°(г) (см. выражение 8 с учётом зависимости 5), Ср(г) (см. ф. 11) и к(г), используя уравнение (18).

Необходимо заметить, что технологу, основываясь на конструктивных особенностях вала и возможностях металлообрабатывающего оборудования, желательно предварительно определиться с формой обкатного инструмента (шарика или тороидального ролика), а также с видом обработки (если отсутствуют специальные требования): либо проводить упрочняющую для повышения только циклической прочности вала, либо отделочно-упрочняющую, которая дополнительно обеспечивает ещё и низкую шероховатость обработанной поверхности.

Данная (методика) программа расчёта остаточных напряжений в валах при ППД прошла государственную регистрацию и на неё получено свидетельство № 2012610126. Отметим, что предлагаемая методика расчёта остаточных напряжений будет весьма полезна инженерно-техническому персоналу и может успешно применяться на всех машиностроительных предприятиях страны, где производятся или подвергаются ремонту детали типа валов.

Заключение г

1. Теоретически разработана и экспериментально проверена на «работоспособность» физико-математическая («сферическая») модель упругопластиче-ского контакта тел, ограниченных поверхностями двоякой кривизны, позволяющая при исследовании физических явлений в очаге деформации, использовать математический аппарат решения классической контактной задачи Герца.

2. Установлены и описаны в аналитической форме закономерности изменения интенсивности упругопластической контактной деформации и её линейных компонент вдоль линии действия нагрузки применительно к процессам однократного статического нагружения и обкатки валов роликами (шариками). Определены условия применения обобщенной диаграммы деформирования материалов к описанию процессов активной стадии контактного нагружения.

3. Рассмотрены и проанализированы деформационные и технологические особенности процессов ППД, а также физические явления, протекающие в очаге деформации, на основе которых приняты обоснованные допущения, используемые при создании аналитического решения по остаточным напряжениям в валах.

4. Установлена зависимость изменения интенсивности максимальных остаточных напряжений в валах после ППД от интенсивности контактной упруго-пластической деформации на их поверхности. Она объединяет обе стадии процесса контактного нагружения тел (активную и упругую разгрузку) и представлена в удобной для практического применения форме.

5. Введена новая физически обоснованная характеристика остаточного напряжённо-деформированного состояния материала - «остаточный секущий модуль сдвига». Определена его роль и значение при рассмотрении упругопласти-ческих контактных задач применительно к условиям однократного статического нагружения и процессам упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработкам.

6. Получено аналитическое решение задачи по определению значений осевых, окружных и радиальных остаточных напряжений в валах в пределах толщины пластически деформированного слоя. Решение представлено в относительно простой и доступной для инженерно-технического персонала форме.

7. Предложена методика расчётного назначения рациональных технологических режимов, включая силу обкатки, геометрические размеры инструмента, его подачу и пр., применительно к процессам упрочняющей обкатки валов из конструкционных сталей средней твердости тороидальными роликами (шариками) при наиболее полном использовании прочностных свойств материалов.

8. Выполнена комплексная проверка адекватности предложенного метода определения остаточных напряжений в валах при ППД с использованием многочисленных экспериментальных данных, полученных на натурных валах различными исследователями. Она подтвердила правомерность нового теоретического решения по расчетному прогнозированию остаточных напряжений в валах.

9. Разработаны программы автоматизированного расчёта режимов упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработок валов ППД с выдачей рациональных технологических параметров данных процессов и получаемых при этом значений остаточных напряжений. Данная программа прошла государственную регистрацию и на неё получено свидетельство № 2012610126.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Сидякин Ю.И. Определение формы и размеров пластически деформированной области вокруг отпечатка, ограниченного эллиптическим контуром. /Ю.И Сидякин, А.П. Осипенко, A.B. Трунин, С.Ю. Сидякина. //Вестник машинострое-

ния, 2007, № 10. - С. 25-29.

2. Сидякин Ю.И. Сферическая модель исследования контактной упруго пластической деформации. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин, А.Н. Шевцов. //Известия Вол-гГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении», вып. 6, № 12 (72). -Волгоград, 2010. - С. 48-52.

3. Сидякин Ю.И. Обобщённая диаграмма упругопластического контактного деформирования материалов. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Известия ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении», вып. 7, № 13 (86). — Волгоград, 2011.-С. 44-46.

4. Абакумова С.Ю. О выборе глубины наклепа при упрочняющей обкатке полых валов роликами. /С.Ю. Абакумова, A.B. Гуляев, Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Известия ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении», вып. 7, № 9 (110). - Волгоград, 2013. - С. 5-8.

5. Трунин A.B. Оценка интенсивности остаточных напряжений в валах при ППД. /A.B. Трунин, Ю.И. Сидякин, С.Ю. Абакумова, B.JI. Маклецов. //Известия ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении», вып. 10, № 20 (123). - Волгоград, 2013. - С. 67-70.

6. Сидякин Ю.И. Аналитическое исследование остаточных напряжений в сплошных валах после упрочняющей обработки ППД. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин, С.Ю. Абакумова. //Вестник машиностроения, 2014, № 6. - С. 62-70.

7. Трунин A.B. Расчёт интенсивности остаточных напряжений в валах при их упрочняющей обкатке роликами. /A.B. Трунин, Ю.И. Сидякин, С.Ю. Абакумова. //Главный механик, 2014, № 7. - С. 39-43.

В других изданиях

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012610126. Расчёт остаточных напряжений в валах после ППД. //Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. 2012.

9. Сидякин Ю.И. Расчёт интенсивности деформации под остаточной вмятиной с эллиптическим контуром. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. DFMNT2009: Сб. матер. 3-ей межд. конф. - М.: ИМет им. Байкова, 2009. - С. 384-385.

10. Сидякин Ю.И. Расчёт тангенциальных остаточных напряжений в валах после упрочняющей обработки ППД. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Высокие технологии в машиностроении: Матер. Всероссийской научно-техн. интернет-конф. с межд. участием. Самара: - СамГТУ, 2010. - С. 61-63.

11. Сидякин Ю.И. Программа расчёта остаточных напряжений в валах после ППД. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Наукоемкие технологии в машиностроении: Матер. Всероссийской научно-практ. конф. Уфа: УГАТУ, 2012. - С. 76-79.

12. Сидякин Ю.И. Программа расчетного определения остаточных напряжений в валах, подвергнутых ППД. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Матер. IV-ой межд. научно-техн. конф. - Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьева, 2012, ч. II. - С. 62-64.

13. Гуляев A.B. Расчёт глубины упрочнения полых валов при ППД. /A.B. Гуляев, С.Ю. Абакумова, Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин. //Технические науки - основа

современной инновационной системы: Матер. П-ой межд. научно-практ. конф. -Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2013. - С. 35-39.

14. Сидякин Ю.И. Расчёт остаточных напряжений в валах при их упрочнении поверхностным пластическим деформированием. /Ю.И. Сидякин, A.B. Трунин, С.Ю. Абакумова. //Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: Матер. 16-ой межд. научно-практ. конф. - Санкт-Петербург, 2014, ч.2.-С. 142-148.

Подписано в печать 08.04.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 257.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.