автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка методологии и технологий упругопластического деформирования длинномерных деталей различной геометрической формы

На правах рукописи

КРОПОТКИНА Елена Юрьевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8ФЕВ2013

005050079

Воронеж - 2012

005050079

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Демин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор, советник ректора ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Непершин Ростислав Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», профессор кафедры «Системы пластического деформирования»

Егоров Владислав Геннадьевич доктор технических наук, профессор, Ген. директор ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля»

Ведущая организация: ГНЦ РФ «ВНИИМЕТМАШ

им. академика А.И. Целикова», г. Москва

Защита состоится "20" марта 2013г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан « Ц » февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Надежность и производительность выпускаемых машин зависит от качества изготовленных деталей. Эксплуатационные свойства деталей (контактная жесткость, износостойкость, усталостная прочность и др.) связаны с точностью размеров, формы и расположения отдельных поверхностей.

В машиностроении имеется большое количество ответственных длинномерных деталей различной конфигурации, у которых появляется искривление продольной оси. Наиболее серьезной проблемой является обеспечение точности формы таких деталей на последних этапах обработки или при ремонте. Способы холодной правки на прессах здесь не всегда подходят, так как при этом сложно обеспечить прецизионную точность обработки и необходимое качество поверхностного слоя. Поэтому более целесообразным и актуальным является управление требуемой геометрией нежестких деталей на основе асимметричного упрочнения методами поверхностного пластического деформирования.

Методы асимметричного упрочнения позволяют обеспечить требуемые деформации при высоком качестве обработанной поверхности и сравнительно малой трудоемкости. Однако использование асимметричного упрочнения приводит к разному качеству поверхностного слоя по периметру детали: твердости, глубины упрочненного слоя, шероховатости, остаточных напряжений. Эти величины оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства деталей. Поэтому для получения необходимых показателей качества деталей, обработанных этим методом, необходимо выбирать оптимальные технологические параметры процесса.

Одной из актуальных проблем является выбор способа обработки, обеспечивающего заданные комплексные характеристики, определяющие эксплуатационные свойства деталей. Наличие большого многообразия методов и условий их применения, а также разнообразные технические требования к обрабатываемым деталям делает выбор способа обработки сложной технологической задачей. В связи с этим, в машиностроении актуальна проблема создания автоматизированной системы, которая помогала бы технологу выбрать оптимальный метод, условия обработки и инструмент.

Для практического применения асимметричного упрочнения с целью управления качеством и прецизионной точностью нежестких деталей нужно иметь механизм получения всех заданных параметров качества деталей: точности размеров и формы, шероховатости, структуры, твердости и т.д.

В связи с этим, необходимо, во-первых, иметь возможность выбора оптимального метода обработки, осуществимого в производственных условиях; во-вторых, до начала механической обработки иметь механизм определения необходимых технологических режимов и условий обработки в зависимости от заданных характеристик обрабатываемой детали. В этом случае при правке длинномерных нежестких сложнопрофильных деталей особенно сложным является выявление точки приложения и направления силы инструмента. При этом, ча-

сто ответственные детали по своим эксплуатационным параметрам требуют не более одного - двух приложений силы при правке. Поэтому до начала правки необходимо знать точку приложения вектора силы и его величину.

Таким образом, имеется научная проблема, заключающаяся в необходимости установить закономерности изменения оси длинномерных деталей произвольной геометрии до заданного положения путем адаптивного силового воздействия в плоскости стрелы прогиба и последующей правки детали по установленным закономерностям.

Цель и задачи исследования.

Цель работы: разработка методологии и технологий упругопластического деформирования для повышения показателей качества нежестких длинномерных деталей различной геометрической формы.

Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:

1. Разработка и обоснование теории, обеспечивающей формализацию связей между геометрическими параметрами длинномерных деталей с технологическими режимами их правки внешней силой.

2. Создание механизма управления положением оси длинномерных деталей с различной геометрической формой путем воздействия вектора силы в заданной точке приложения.

3. Установление связей между технологическими режимами и изменением геометрических параметров длинномерных деталей в процессе их правки.

4. Установление закономерностей формирования поверхностного слоя с учетом технологических параметров асимметричного деформирования (упрочнения). Раскрытие механизма формирования поверхностных пространственных напряжений, позволяющих совместить заданные геометрические параметры детали с ее конечной формой после поверхностного пластического деформирования.

5. Разработка модели обеспечения эксплуатационных свойств деталей в зависимости от технологических режимов и условий обработки и возможностей различных методов поверхностного пластического деформ2ирования с учетом релаксации и наследственных явлений, с выходом на обработку детали в соответствии с выбранным методом. Разработка методики обоснованного выбора оптимального способа и режимов обработки с целью получения заданных характеристик детали.

6. Установление закономерностей комплексного воздействия режимов асимметричного упрочнения и разработка методики управления геометрией сложнопрофильных длинномерных деталей для достижения заданной геометрической точности и качества поверхностного слоя.

7. Разработка технологической оснастки и рекомендаций по настройке оборудования для обработки прецизионных длинномерных деталей.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследований является правка длинномерных нежестких деталей асимметричным упрочнением.

Предметом исследования является повышение качества нежестких ответственных деталей методами асимметричного поверхностного пластического деформирования.

Методы исследования. В работе использованы научные положения технологии машиностроения, оптимизации и автоматизации процессов, вопросы управления с использованием системы поддержки принятия решений, теоретические положения теории упругости и пластичности, метод последовательных приближений, метод спектрального (гармонического) анализа. Экспериментальные исследования основываются на теории планирования эксперимента, методах статистической обработки данных, средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Научная новизна работы

1. Разработана методология проектирования процесса правки и технологических режимов длинномерных деталей, имеющих различную геометрию и механические характеристики материала, в основе которой лежит научная концепция, заключающаяся в том, что в узком диапазоне упругопластических деформаций, свойственных правке детали, величина упругости конструкции (детали) измеряется в пределах ошибки измерения, что позволяет принять жесткость детали любой геометрии постоянной, а воздействие момента компенсировать изменением вектора силы.

2. Найдены связи и закономерности между величиной и формой изгиба детали, качеством поверхностного слоя (шероховатостью, остаточными напряжениями, глубиной упрочненного слоя) и технологическими условиями асимметричного упрочнения, что позволило обеспечить заданные эксплуатационные свойства ответственных деталей.

3. Разработана новая комплексная модель управления показателями точности и качества поверхностного слоя сложнопрофильных деталей методами асимметричного упрочнения с учетом релаксации и наследственных явлений, которая состоит из модели создания асимметричной эпюры упрочняющей силы (обкатывания или выглаживания) в зависимости от условий обработки; модели определения параметров области контакта и распределения остаточных напряжений, учитывающей влияние вида трения и кратность приложения нагрузки в направлении подачи на объемное распределение остаточных напряжений; модели управления изгибом с целью обеспечения точности нежестких деталей; модели прогнозирования параметров качества поверхностного слоя после асимметричного упрочнения.

4. Предложен новый способ управления положением оси длинномерных деталей, отличающийся тем, что в нем автоматически устанавливается обобщенный вектор воздействия силы для правки оси, а при определении величины силы учитываются индивидуальные геометрические размеры и механические характеристики материала детали.

5. Предложен механизм получения требуемого положения оси длинномерной детали при правке, отличающейся многократной адаптацией состояния системы и ускоренным сближением начального и требуемого положения оси при минимальном количестве воздействий силы в области упругопластической деформации детали.

6. Предложена модель технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств асимметричным упрочнением от заготовки до готовой детали, с учетом наследственных явлений и явлений релаксации, с использованием аналитической автоматизированной информационной системы, применимая для различных методов поверхностного пластического деформирования.

Новизна подтверждена 2 патентами на полезные модели и положительным решением по заявке на выдачу патента.

Достоверность научных положений и технических решений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями автора, сопоставлением полученных решений и их результатов с соответствующими данными, опубликованными в различных литературных источниках, а также испытаниями в производственных условиях.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Установлена возможность восстановления геометрии и (или) повышения механических свойств сложнопрофильных деталей, что позволило восстановить работоспособность дорогостоящих изделий и надежность высоконагру-женных деталей. Полученные закономерности использованы в технологическом процессе восстановления геометрической формы при повышении усталостной прочности силовых прецизионных деталей, позволившие устранить брак на стадии окончательной обработки деталей.

2. Создано методическое и программное обеспечение для автоматизированного расчета пространственного изгиба деталей, возникающего под действием асимметричного упрочнения поверхностного слоя. Экспериментально подтверждена возможность наведения или исправления кривизны нежестких деталей с помощью асимметричного упрочнения поверхностным пластическим деформированием (обкатыванием, выглаживанием). Разработанная методика асимметричного упрочнения обеспечивает высокое качество поверхностного слоя деталей и позволяет автоматизировать технологический процесс обработки.

3. Создано методическое обеспечение для выбора оптимального способа обработки и комплексных технологических условий упрочнения с использованием автоматизированной системы поддержки принятия решений при проектировании техпроцессов с целью формирования заданных эксплуатационных параметров деталей в зависимости от технологических характеристик различных методов поверхностного пластического деформирования с выходом на обработку детали в соответствии с выбранным методом.

4. Установлены связи между требованиями разработчика к сложнопро-фильным деталям и возможностям технолога по обеспечению заданных технологических показателей. Это позволило расширить возможности конструкторов

и технологов по созданию изделий с предельными техническими характеристиками при минимизации массы изделий и достижения высокой надежности.

Разработанная методика выбора оптимального способа обработки апробирована и принята к использованию на ОАО «Пермский Моторный Завод». Разработанная методика управления изгибом нежестких деталей с помощью асимметричного упрочнения внедрена в производство на ФГУП «Машзавод им. Ф.Э. Дзержинского». Технология управления точностью асимметричным упрочнением на основании предложенной методики внедрена на АО «Мотови-лихинские заводы» и предприятии ЗАО «НОВОМЕТ-Пермь».

Личный вклад:

1. Установлены закономерности для управления геометрической формой сложнопрофильных деталей и повышения качества поверхностного слоя с технологическими режимами асимметричного упрочнения, что позволило создать оригинальную теорию формообразования при локальном механизме воздействия в расчетных зонах исходного профиля с получением изделий с надежностью, соответствующей требованиям чертежа.

2. Разработана теория упругопластического контактного формообразования, позволившая создать технологию восстановления геометрии сложнопрофильных деталей и повысить прочностные свойства высоконагруженных изделий при минимизации массы.

3. Разработана модель расчета остаточных напряжений при локальном асимметричном упрочнении, учитывающая условия трения и кратность приложения нагрузки в направлении подачи, позволившая оптимизировать технологические параметры правки деталей с заданными свойствами, что обеспечивает минимальное количество приложений нагрузки и оптимизацию распределения остаточных напряжений в обработанной детали.

4. Установлены закономерности технологического воздействия при асимметричном поверхностном пластическом деформировании на величину пространственной деформации деталей, что позволяет восстановить геометрию и повысить усталостную прочность изделий.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа внедрена на ОАО «Пермский Моторный Завод», ФГУП «Машзавод им. Ф.Э. Дзержинского», АО «Мотовилихинские заводы», ЗАО «НОВОМЕТ-Пермь».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении» (Ростов - на - Дону, 2007); международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008); международной научно-технической конференции «Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении» (Ростов-на-Дону, 2009); международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» (Ростов-на-Дону, 2009); международной научно-технической конференции «Наука и образование-2009»

(Мурманск, 2009), XXII международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009); международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009); международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении» (Воронеж, 2010); на заседании кафедры "Технология машиностроения" ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (Москва, 2011), на заседании кафедры высокоэффективных технологий обработки (Москва, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2012), 4-й международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ - 2012)» (Рыбинск, 2012).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 38 научных работ, в том числе 15 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 312 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 326 страницах, содержит 79 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Изложены основные проблемы управления качеством нежестких деталей. Установлено, что имеется большой опыт традиционных способов механической правки, накопленный научными школами по восстановлению формы изогнутых деталей. Показано, что упрочнение способами поверхностного пластического деформирования является эффективным средством для достижения высоких эксплуатационных параметров.

Первая глава посвящена анализу показателей качества поверхностного слоя, формируемого поверхностным пластическим деформированием; изменению отклонений формы и размеров деталей после асимметричного поверхностного пластического деформирования и роли в этом технологических остаточных напряжений, что позволило сделать вывод о возможности регулирования напряжений в поверхностном слое как внутренних силовых факторов при асимметричном упрочнении за счет изменения схемы обработки. Проведен анализ имеющихся расчетных методов определения остаточных напряжений и их возможной релаксации. Проанализировано влияние поверхностного пластического деформирования на эксплуатационные свойства деталей.

Сформулированы и разбиты по этапам задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели исследования.

В результате установлено: многообразие работ, посвященных различным аспектам геометрической точности нежестких деталей с целью обеспечения оптимальных эксплуатационных параметров, свидетельствует об актуальности этой проблемы и отсутствии в настоящее время ее универсального научно-обоснованного решения.

Не исследована комплексная связь макро - и микроотклонений, образующихся в процессе асимметричного деформирования. Не исследован механизм управления технологическими параметрами, являющимися источником формирования этих отклонений. Не установлены закономерности изменения пространственных отклонений от формы нежестких деталей при асимметричном деформировании. Не изучено влияние факторов, приводящих к образованию пространственных деформаций оси нежестких деталей. Не разработаны схемы моделирования отклонений размеров и формы деталей в зависимости от способа приложения асимметричной нагрузки для сложнопрофильных деталей.

Существующие способы расчета остаточных напряжений при обкатывании и выглаживании не учитывают влияние трения качения и подачи инструмента. Во многих схемах расчета остаточных напряжений при обкатывании и выглаживании принимается плоское напряженное состояние, не учитываются действующие радиальные напряжения, что не позволяет более достоверно установить влияние отдельных составляющих остаточных напряжений на процесс их формирования. Не до конца изучены процессы релаксации при асимметричном упрочнении.

Недостаточно исследовано влияние асимметричного деформирования на изменение шероховатости поверхности. Предложенные в литературе математические модели для теоретического определения шероховатости после обкатывания непосредственно не учитывают комплексное влияние упругопластиче-ских свойств материала обрабатываемой детали, размеров очага деформации и, следовательно, размеры и геометрию деформирующего инструмента.

Отсутствует методика принудительного образования специально заданных искажений пространственной формы деталей с учетом эксплуатационных требований изделия.

Наличие различных, нередко строгих, требований к качеству разнообразных обрабатываемых деталей, а также многообразие существующих методов поверхностного пластического деформирования, условий их применения, делает выбор способа обработки сложной технологической задачей. Следует разработать автоматизированную систему, которая помогала бы технологу в выборе оптимального метода, условий обработки, для получения требуемых, оптимальных характеристик детали.

В предложенных в литературе методах управления изгибом нежестких деталей под действием неравномерного упрочнения не исследовано комплексное влияние на изгиб различных технологических факторов (силы обкатывания, подачи, размеров и геометрии ролика и других).

Не разработаны теоретически обоснованные практические рекомендации по проектированию операций поверхностного пластического деформирования с целью управления деформациями и качеством деталей за счет асимметричного упрочнения. Особенность формирования технологических остаточных напряжений в общем случае делает практически невозможным непосредственное их измерение и регулирование в процессе обработки. По этой причине существенно усложняется прямое использование адаптивных систем управления. Иссле-

дование и разработка систем косвенного управления технологическими напряжениями и остаточными деформациями с целью автоматического управления величиной и формой изгиба нежестких деталей в процессе асимметричного упрочнения возможно только на основе надежных рекомендаций, связанных с установлением взаимосвязей остаточных напряжений с технологическими параметрами.

В связи с изложенным были сформулированы цель и задача работы, приведенные на стр.4 автореферата.

Во второй главе для решения поставленных в 1 главе задач сформирована научная концет^я: в диапазоне малых упругопластических деформаций, свойственных точной правке детали, величина упругости конструкции (детали) измеряется в пределах ошибки измерения, что позволяет принять жесткость детали любой геометрии постоянной, а воздействие момента компенсировать изменением вектора силы.

Базируясь на научной проблеме и научной концепции сформулирована научная гипотеза: измеренный при расчетном силовом воздействии вектор силы правки позволяет для заданной геометрии детали определить жесткость детали, которая может быть принята неизменной при малом изменении геометрии при правке. При заданной жесткости можно рассчитать требуемую силу и направление ее воздействия для правки оси детали.

Для определения вектора силы для управления точностью деталей сложной конфигурации была разработана методика управления формой оси длинномерных деталей: устанавливаем закономерности изменения кривизны оси -измеряем жесткость, по жесткости, используя научную концепцию, считаем закономерности, которые установили с помощью эксперимента, один раз по изгибу в области упругопластических деформаций, пропорционально силе; прикладываем силу правки и за один раз находим форму оси.

На основании методики разработан способ правки. Предлагаемый способ относится к области машиностроения и может быть использован для выпрямления формы оси длинномерных деталей заданной конфигурации, требуемой после предшествующей обработки. Для его осуществления приняты допущения: предполагаем малые упругопластические деформации без учета петли гистерезиса; жесткость детали остается неизменной; сила правки остается постоянной при малом изменении кривизны оси детали.

Последовательность определения вектора и точек приложения силы:

1. Находим положение и измеряем величину исходного наибольшего прогиба детали/пах исх, который необходимо править.

2. Устанавливаем деталь на концевые опоры плоскостью изгиба в направлении вектора силы.

3. Прикладываем силу в место наибольшего прогиба, увеличив ее до достижения границы упругопластической деформации. Максимальная сила, приложение которой обеспечивает упругопластический изгиб, определяется формулой:

4 cj_ г y1dF

где £7T — предел текучести материала детали;

к - коэффициент запаса, учитывающий неточности входящих в формулу величин, равный 1,1...1,2;

L — общая длина детали;

F- площадь сечения детали.

4. Измеряем полученный остаточный прогиб focm в нескольких точках и два вектора силы и находим суммарную величину вектора силы, определяемого углом <р.

5. Определяем величину изменения прогиба:

fY. Углах исх focm-i

где /„ax исх - наибольший исходный прогиб ;

6. На основании полученных данных рассчитываем жесткость детали:

7. Определяем силу, необходимую для правки:

Р 2~j" fmax-

8. В направлении угла ¡р приложить силу Р2 для ликвидации прогиба или повернуть деталь на угол (р и приложить силу Р2 для ликвидации прогиба - в зависимости от способа правки.

9. Таким образом, экспериментально находим точку и вектор приложения силы, который позволяет получить геометрическую ось детали. При этом можно править длинномерные детали различной формы, прилагая при правке силу не более двух раз. Это техническое требование очень важно для нежестких ответственных деталей.

При изготовлении ответственных деталей часто необходимо обеспечить жесткие требования не только по точности, часто прецизионной, но и по качеству поверхностного слоя, так как эти параметры влияют на эксплуатационные свойства. Особенно важно это при обработке нежестких деталей, как сложно-профильных, так и простых по конфигурации. Выполнение этих комплексных требований имеет большие сложности в связи с правкой кривизны детали.

Методы асимметричного упрочнения поверхностным пластическим деформированием позволяют обеспечить требуемые деформации при высоком качестве обработанной поверхности и сравнительно малой трудоемкости. Однако появляется асимметрия качества поверхностного слоя, от которого зависят эксплуатационные свойства. Это затрудняет их применение на последних этапах обработки или при ремонте детали.

С целью осуществления возможности управления параметрами качества построена модель технологического обеспечения заданных эксплуатационных свойств упрочненной детали. В модели, с учетом наследственной информации и возможной релаксации остаточных напряжений, осуществляется выбор оптимального метода асимметричного упрочнения детали, определение технологи-

ческих режимов и условий обработки. Для этого, на основании проведенной классификации и формализации методов поверхностного пластического деформирования, разработана практическая методика выбора оптимального способа обработки и комплексных технологических условий упрочнения с использованием автоматизированной системы поддержки принятия решений (СППР), с выходом на обработку детали в соответствии с выбранным методом. Методика определения оптимального способа и технологических условий состоит из последовательных шагов, показанных на рис.1.

Рис.1. Алгоритм определения оптимального способа обработки детали

Разработанная методика определения оптимального способа обработки, основанная на использовании интерактивной автоматизированной системы, помогает технологу, осуществляющему выбор, принять правильное решение и спроектировать технологический процесс, обеспечивающий заданные параметры качества поверхностного слоя и эксплуатационные показатели деталей.

В третьей главе проводится аналитическое моделирование процесса асимметричного упрочнения. Построена комплексная модель технологического обеспечения качества поверхностного слоя и точности формы асимметрично

упрочненных деталей, которая состоит из решения четырех взаимосвязанных моделей: 1) модели создания асимметричной эпюры упрочняющей силы (обкатывания или выглаживания) в зависимости от условий обработки; 2) модели определения параметров области контакта и распределения остаточных напряжений; 3) модели управления изгибом с целью обеспечения точности нежестких деталей; 4) модели прогнозирования параметров качества поверхностного слоя после асимметричного упрочнения.

При упрочнении сложнопрофильных длинномерных деталей с целью управления точностью формы, асимметрия приложения силы определяется конфигурацией обрабатываемой детали и ее механическими свойствами. Поэтому величину и точку приложения вектора силы определяем по разработанной в главе 2 экспериментально-аналитической методике.

При упрочнении длинномерных цилиндрических деталей (гладких и ступенчатых валов, гладких и ступенчатых труб и т.п. нежестких деталей) асимметричную нагрузку можно получить на токарном станке с помощь специальных приспособлений или настройкой станка.

Для цилиндрических длинномерных деталей при асимметричном напряжённо-деформированном состоянии можно получить не только плоский, но и пространственный изгиб. Это можно осуществить, например, смещая центр вращения детали при закреплении на эксцентриситет e,ti у правого торца детали и на эксцентриситет еч2 У левого торца. Направления эксцентриситетов может быть под любым углом (р относительно продольной плоскости, проходящей через ось центров станка. При таком закреплении распределение силы обкатывания Р по периметру детали в каждом сечении, перпендикулярном оси детали, подчиняется закону эксцентриситета:

Р = Р„ cosp + jp^-p/-sin2 <р ,

где Ра - амплитуда изменения силы обкатывания: Ра =( It,к - Ртш j/2;

Рср - средняя сила обкатывания: Рр + Ртт)12;

<р - угол поворота обрабатываемой детали.

При этом угол приложения максимальной силы давления инструмента изменяется в разных плоскостях, перпендикулярных оси детали. Изогнутая ось балки в этом случае является пространственной кривой. Это наиболее общий случай для рассматриваемой схемы закрепления.

После установления величины и законов изменения силы давления инструмента на деталь определен механизм протекания контактных явлений при асимметричном упрочнении. При решении задачи использовались допущения, которые обычно принимаются при анализе контактных явлений в очаге упру-гопластической деформации. В результате пластического деформирования образуется след в виде эллипсоидной полулунки в области контакта, переходящей в цилиндрический желоб. Поэтому область контакта инструмента и детали рассматривалась состоящей из двух зон: зоны, в которой развивались упругопла-стические деформации (ее можно назвать областью нагрузки), и зоны, которую

можно назвать областью упругой разгрузки. При этом принимали, что область контакта ограничена двумя полуэллипсами с полуосями а1 и а2 в направлении движения инструмента и полуосью Ь в направлении подачи.

При обкатывании (выглаживании) в каждой рассматриваемой точке за счет движения инструмента в направлении подачи или повторных ходов инструмента может происходить повторная пластическая деформация металла. В этом случае происходит накопление деформации, и величина остаточных напряжений изменяется. Степень влияния подачи 5 на остаточные напряжения связана с размером очага деформации, в частности, с шириной пятна контакта. Для характеристики этой зависимости введен параметр который определяет кратность приложения нагрузки:

где п - количество продольных ходов инструмента.

Влияние подачи и связанных с ней повторных деформаций учитывали с помощью диаграммы деформирования, показывающей зависимость обобщенного напряжения а, от обобщенной деформации £, (рис.2). Установлено, что при нагружении образца выше предела упругости сК и последующей его разгрузке металл изменяет свои свойства: пропадает площадка текучести, повышается предел пропорциональности и уменьшается полная деформация, возникает наклёп (точка Б на рис.2). То есть, рассматривая устоявшееся состояние поверхностного слоя после снятия нагрузки после первого прохода ролика (рис.2), когда величина подачи больше ширины контакта инструмента и детали (£ ^ 26 остаточная пластическая деформация равна:

где ^ - деформация, полученная при первом проходе ролика;

-упругая часть деформации, которую можно вычислить по формуле:

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала.

Очевидно, что при повторном прохождении ролика за счет движения подачи по обкатанному за предыдущий ход участку, интенсивность напряжений и деформаций возрастает по кривой БАВ (рис.2). То есть деформация будет вторичной, если подача будет в пределах: 26 > 5 > 6, Если рассматриваемый участок обрабатываемой детали деформируется (обкатывается) третий раз, то интенсивность напряжений и деформаций изменяется уже по закону ГВД (рис.3). Деформация будет третичной, если величина подачи будет в пределах: Ь >5 >¿/2. с возрастанием числа циклов нагружения, при величине подачи меньше половины пятна контакта инструмента и детали (Л'<А/2), упрочнение материала возрастает и при последующем приложении нагрузки происходит уменьшение степени роста пластической деформации. Установлено, что число циклов деформирования более трех не дает положительного эффекта. В случае резкого увеличения циклов нагружения вследствие снижения пластичности возможно ухудшение качества поверхностного слоя детали, перенаклеп, появление трещин, уменьшение остаточных напряжений. Поэтому необходимо учитывать предел прочности <тв рассматриваемого материала, после которого может начаться разрушение материала. Слишком большой параметр к3 является ограничивающим фактором при обкатывании.

Модель определения остаточных напряжений с учетом влияния кратности приложения нагрузки строилась по следующему алгоритму:

1) В результате решения контактной задачи вычисляли в первом приближении размеры пятна контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью и максимальное давление ролика.

2) Рассчитывали интенсивность деформации е, после первого деформирования.

3) Определяли интенсивность напряжений по экспериментальной зависимости (кривой текучести материала, рис.2): (т1=/(гч).

Если в) находилась в пределах упругого деформирования, то остаточные напряжения не возникали, а величина <г, была равна: а^^Е £„.

Если е, находилась в пределах пластического деформирования, то интенсивность напряжений <т, определяли по экспериментальной зависимости о,=/(е,). Сопоставляли величины полуоси пятна контакта Ъ и подачи 5. Определяли наличие и количество повторных деформаций,, которое испытывала рассматриваемая точка, по параметру к$.

По кривой текучести материала определяли уточненную интенсивность напряжений, учитывающую повторное деформирование. Вновь решали контактную задачу. Рассчитывали уточненную ширину пятна контакта Ь, полученную после второго деформирования, сравнивали с величиной подачи Определяли параметр кг и, если цикл нагружения повторялся, то вновь производили расчеты <т, необходимое число к3 раз. При этом производили проверку возможности повторного деформирования, исходя из необходимости выполнения условия: а/<а„.

4) На основании скорректированных размеров пятна контакта рассчитывали истинное давление инструмента при обкатывании с учетом кратности приложения нагрузки.

5) Расчет остаточных напряжений производили, используя известную теорему о разгрузке Ильюшина:

о_ р е о_ _ ре ope

Ох - <V - СТХ ; оу - оу - Оу , az - a/- oz ,

где af - истинные (полные) напряжения, формирующиеся в упругопла-стическом теле при его нагружении;

af - некоторые фиктивные (эквивалентные) напряжения упругой разгрузки, которые создавались бы в детали при предположении об идеальной упругости материала.

Составляющие напряжения af рассчитывали согласно теории упругости. Составляющие истинного напряжения упругопластической нагрузки af определяли, используя метод переменных параметров упругости. Для этого рассчитывали истинные напряжения по тем же формулам теории упругости, но при этом заменяли в них постоянные параметры упругости Е, ц на переменные параметры упругости Е-, [л*, которые рассчитывали по формулам:

Е _ 3Е 1-(1-2^)/4'(1 + //) . _3£_

2(\+m)V + 1-2M' 2+(1-2//)/+ 2(1 + //) ' <т(

В последнем выражении <р„ оу определяли по экспериментальной зависимости arffei) с учетом кратности нагружения материала детали.

Таким образом, сдвиговой характер деформации в направлении подачи при расчете остаточных напряжений учитывается через кривую текучести материала. При неоднократном деформировании материла за счет движения подачи, интенсивность деформации возрастает, увеличивается интенсивность напряжений, поэтому возрастают составляющие истинного (полного) напряжения.

В четвертой главе приводится модель управления изгибом с целью обеспечения точности нежестких деталей и модель прогнозирования параметров качества поверхностного слоя (шероховатости, остаточных напряжений, глубины упрочненного слоя, твердости) под влиянием технологических условий асимметричного упрочнения.

Действие остаточных напряжений, вызванных асимметричным упрочнением всех ступеней детали, можно представить как действие системы внутренних сосредоточенных (эквивалентных) изгибающих моментов.

Полагали, что в результате обкатывания /'-й ступени детали в поверхностном слое толщиной t,{<p) сформировано остаточное напряженное состояние, нормальные составляющие которого в любой точке произвольного сечения расположены в системе координат XYZ (рис.3). В соответствии с указанным законом изменения силы обкатывания распределение остаточных напряжений для плоского изгиба будет симметричным относительно плоскости XY. При этом деформации изгиба определяются напряжениями <тх, вектор которых параллелен оси симметрии детали. Рассматривая напряжения ах=гтх(р,<р) как функцию только от угла <р и текущего радиуса р, отметим, что действие этих напря-

жений как внутренних силовых факторов эквивалентно действию двух равных внешних моментов, приложенных на концах г'-й ступени.

Рис.3. Схема для определения изгибающего момента при асимметричном упрочнении

Тогда величина эквивалентных изгибающих моментов, приложенных на концах /-й ступени, равна:

* ~г

М,= 2j \ох{р,<р)-рг-соб^ с1р с1(р^

О В, , . у-', М

где Д— диаметр г'-й ступени детали;

1,(<р) — глубина распространения остаточных напряжений в осевой плоскости сечения, проведенной под углом (р к плоскости ХУ.

Полагая известными значения сосредоточенных моментов, определяется изгиб для любого произвольного сечения с абсциссой X.

Деформации (перемещения) оси в произвольных сечениях детали определялись согласно теории изгиба по универсальному уравнению метода начальных параметров. Вывод расчетной формулы выполнили для балки, подверженной действию изгибающих моментов. Формула для расчета прогиба при плоском изгибе /к для любого сечения с абсциссой * в плоскости У ОХ, расположенного на к-й ступени детали:

Г = _у ж |у'КС1-4)2, *у.'А/,(*-4)2

* к и 21 ¿Е М 21,Е £Г 2/,ХЕ ' С •>

где Е - модуль упругости материала детали; к- номер ступени детали, к = 1, 2,... ,п; п— общее число ступеней детали;

L — общая длина детали; // -длина г'-ой ступени детали;

//—момент инерции поперечного сечения /-й ступени. Для определения пространственного изгиба задавались конкретным способом его обеспечения - эксцентричным закреплением вала у правого и левого торцов со смещением в разных плоскостях. В этом случае точка контакта инструмента и детали при обработке совершает сложное движение по цилиндрической поверхности детали со скоростью V=S-n относительно оси Х3, соединяющей центры вращения правого и левого торцов вала. Такое движение описывается следующими уравнениями:

*3 =ll +L0>

5

Pi - Pi(x3'&)'

где L0 - расстояние от начала координат (торца детали) до сечения, на котором начинается контакт инструмента и детали; //-текущая координата длины валика; p¡ - текущий (рассматриваемый) радиус; 0-угол поворота текущего радиуса относительно оси Y3.

е, eos «sin г sin в -е, cos г cos в - х, cos a sin a sin в ± -ÍK

cos в + eos asín О

где

^ L

\

е2 sin <р

£ = (е, cos г cos 0 - е, cos a; sin г sin 0 + cosor sin a sin #)2 -(cos2 в + cos2 a sin2 в)-(ef - 2e,x, sin a sin г + je, sin2 a - Д2)

Je]+e¡-2e,e2 cosy. r = 90° - arcsin -_

+e¡-2e,e2 cosy

Величину эксцентриситета (центра вращения) в рассматриваемом сечении детали можно рассчитать по формуле:

еп = Р'ы ~ ^Ч •

где - радиус i-ой ступени детали.

Расчет прогибов при пространственном изгибе цилиндрической детали типа вала проводится в следующем порядке:

1) Для каждой координаты длины валика /, рассчитать все текущие радиусы p¡ в каждом рассматриваемом сечении по оси X¡ детали. Определить максимальные радиусы ртах и соответствующие им углы в. Последовательно определить расположение центра вращения е?>, в каждом сечении детали и угол поворота 6¡. С учетом того, что угол поворота оси Х3 относительно оси X весьма мал, можно принять в,~<р,.

2) Рассчитать для каждого сечения детали силу Р, распределяющуюся по закону эксцентриситета.

3) Определить остаточные напряжения по вышеприведенной методике.

4) Рассчитать величины фиктивных изгибающих моментов М, и прогибы оси детали fk во всех необходимых продольных сечениях вала.

Аналитическое моделирование изгиба нежестких сложнопрофильных деталей при асимметричном упрочнении, например, обкатыванием, можно применять и для управления прецизионной точностью плоских деталей или деталей более сложной формы. Предлагается создавать асимметричное напряжённо - деформированное состояние обкатыванием с силой, изменяющейся по закону упрочнения, определяемому экспериментально-аналитической методикой и способом управления формой оси длинномерных деталей с различной геометрической формой.

После определения закона приложения силы обкатывания решается контактная задача. Конфигурация и размеры пятна контакта в области нагрузки и области разгрузки определяются формой поверхностей соприкасающихся ролика и детали. Эксцентриситеты пятна контакта зависят от приведенных радиусов кривизны в точке соприкосновения инструмента и детали.

Приведенные радиусы кривизны в точке соприкосновения инструмента и

детали рассчитываются по формулам:

± = ±+±. ± = ±+±

Я. Ъ кр к2 Кп

где Яд, Яр, Кт Як - радиусы детали, ролика, профиля ролика и радиус канавки, образованной инструментом.

Знак в формулах расчета приведенных радиусов определяется конфигурацией соприкасающихся ролика и детали - вогнутые или выпуклые поверхности.

Если обкатывается плоская поверхность детали, то её радиус кривизны равен бесконечности. В этом случае

После определения приведенных радиусов кривизны рассчитываются эксцентриситет эллипса пятна контакта детали и инструмента, полуоси пятна контакта в упругой и упругопластической зоне. Вычисляется величина обобщенной деформации г., и другие параметры упругопластической деформации.

Рассчитывается максимальное давление инструмента на деталь при обкатывании. Определяется глубина упрочненного слоя.

Производится расчет остаточных напряжений по всем сечениям ступеней детали и участкам изгиба оси для всех точек по периметру поперечных сечений и глубины упрочненного слоя и

Приложение асимметричной нагрузки вызывает асимметричные остаточные напряжения. Действие этих остаточных напряжений с 0 , как внутренних силовых факторов, эквивалентно действию фиктивных внешних моментов М„ приложенных на концах 1-й ступени.

Тогда перемещения оси детали в произвольных сечениях можно определить по теории изгиба. В частности, воспользуемся универсальным уравнением метода начальных параметров. При этом длинномерная сложнопрофильная де-

таль рассматривается как балка постоянного сечения с изгибной жесткостью поперечного сечения £//, нагруженная фиктивными моментами М, (рис.4).

М] М] м2 м2

-о"

1,

м.

Мп.,

Мп м„

1п-1

1п=Ь

X

Рис.4. Схема эквивалентной системы фиктивных изгибающих моментов, обусловленных действием остаточных напряжений, появившихся в результате асимметричного упрочнения

А. 2

В этом случае расчет изгиба в любом сечении с абсциссой X, расположенном на к-й ступени детали, можно произвести по формуле (1), где

I/ — момент инерции поперечного сечения г-й ступени детали (зависит от формы поперечного сечения):

Л=/р2 ¿р.

е

Г, г Я-Ц4

В частности, для круглого сечения вала: /, = —

64

для трубы: !, =

где га - средний диаметр трубы: 1 = 5

г/( г2 - наружный и внутренний радиусы трубы: толщина трубы: & ~ гГ г,;

г. , , Ь,Н

для стержня прямоугольного сечения со сторонами о, и «,: I,

Простой изгиб получается, если изгибающий момент действует в плоскости, содержащей главную центральную ось поперечного сечения детали. Центральной осью детали в рассматриваемом случае является линия, соединяющая центры тяжести поперечных сечений детали.

При изгибе длинномерной сложнопрофильной детали с поперечным сечением произвольной формы (рис.5) получается сложное сопротивление изгибу. Если в этом случае плоскость действия изгибающих моментов будет пересекать поперечные сечения детали по прямой, которая совпадает с главной цен-

тральной осью, то будет иметь место плоский изгиб. Расчет напряжений тогда ведется по формулам для простого изгиба.

Рис.5. Схема поперечного сечения детали для определения параметров косого

изгиба при обкатывании

Для удлиненного симметричного профиля (рис.4) положение центра изгиба (гс) должно быть определено из условия:

где = = т- и у =J[z),

J у'*

ц- коэффициент Пуассона.

Тогда для определения величины и формы изгиба можно воспользоваться формулой (1).

Если плоскость действия эквивалентных изгибающих моментов будет пересекать поперечные сечения детали по прямой, которая не совпадает с главной центральной осью сечений (рис.5), то у детали будет косой изгиб. В этом случае деталь изгибается не в плоскости приложения изгибающего момента, и нейтральная линия проходит через центр тяжести сечения, но не перпендикулярна плоскости действия изгибающих моментов.

Косой изгиб можно рассматривать как одновременный изгиб в двух главных плоскостях XY и XZ. Для этого изгибающий момент Миъ, раскладывается на составляющие моменты относительно осей у и г.

му = М„ sina 5 мг = Мюг cos a _

Угол а, образуемый плоскостью действия изгибающего момента и главной центральной осью у сечения, и угол Р, образуемый нейтральной линией с главной центральной осью г сечения, связаны зависимостью:

у

Уравнение нормальных напряжений при косом изгибе имеет вид

М, М,

<Т =-- У +--Г

'у '

Самой напряженной будет точка, наиболее удаленная от нейтральной линии - точка К (рис.5). Для нее следует производить проверку условия прочности:

М М„ п

а,

I I

' у

где Я - допускаемое напряжение при расчете на изгиб.

Изгиб детали будет происходить в направлении, перпендикулярном нейтральной линии.

Полный прогиб рассчитывается как геометрическая сумма прогибов, вызванных изгибающими моментами му и в главных плоскостях:

Расчет пространственных прогибов рекомендуется производить в следующем порядке:

Определить по разработанной методологии силу обкатывания.

Решить контактную задачу на основании разработанного механизма протекания контактных явлений. При этом следует учитывать профиль сечения и форму детали, а также размеры и форму деформирующего ролика.

Определить величины и распределение остаточных напряжений.

Рассчитать величины фиктивных изгибающих моментов.

Прогиб оси детали следует рассчитывать во всех необходимых продольных сечениях детали - в местах перегибов и на изменяющихся ступенях детали.

Расчет производится методом последовательных приближений.

Проведено аналитическое исследование параметров качества поверхностного слоя после асимметричного упрочнения.

Построена модель прогнозирования параметров качества поверхностного слоя под влиянием технологических условий асимметричного упрочнения

Получены аналитические зависимости определения величины шероховатости поверхностей деталей, обработанных обкатыванием, учитывающие комплексное влияние упругопластических свойств материала обрабатываемой детали с учетом повторных нагружений в направлении подачи, размеров очага деформации, размеров и геометрии деформирующего инструмента:

16 Л,

2--

с.О-лЯ

С

та

Величина шероховатости здесь является функцией силы обкатывания, пятна контакта и геометрических размеров инструмента, так как переменные параметры упругости С*, определяются из решения упругопластической задачи. При этом по величине силы обкатывания (выглаживания) и заданным законам ее изменения определяются глубина внедрения инструмента, полуоси пятна контакта и Ь, по которым определяется обобщенная деформация е„ по ней функция пластичности Ч', которая влияет на величины в., //•:

где /~у,/£ ,/г - функции соответствующих параметров.

Асимметричное упрочнение обкатыванием по периметру детали приводит к разному качеству поверхности. Поэтому важным фактором является величина ДА:, которая показывает пределы изменения шероховатости поверхности по периметру детали:

д^'б-ЛГо,___ал

16 Д„С

где (С-1, //./) и (С.и-2) - переменные параметры упругости в зоне соответственно наименьшей и наибольшей силы обкатывания по периметру детали, учитывающие многократное упругопластическое деформирование по периметру сечения.

Глубину упрочненного слоя и диапазон изменения глубины упрочненного слоя по периметру асимметрично упрочненной детали рассчитывали по формулам:

где сгт - предел текучести обрабатываемого материала.

Построена оптимизационная модель асимметричного поверхностного пластического деформирования нежестких деталей с целью определения оптимальных комплексных параметров точности и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Критерием оптимизации является минимизация величины отклонения оси детали от прямолинейности. Ограничивающими условиями в оптимизационной модели являются величины шероховатости, твердости и глубина упрочненного слоя обрабатываемых деталей.

На основании комплексной модели технологического обеспечения качества разработана программа для ЭВМ для вычисления величины изгиба и параметров качества поверхностного слоя асимметрично упрочненных деталей.

В пятой главе приведена экспериментальная проверка разработанного механизма и модели асимметричного упрочнения для правки деталей произвольной формы, описаны результаты исследования асимметричного упрочнения.

Рис.б. Система отсчета отклонений формы валика в поперечном сечении: 1-номинальный контур; 2-реальный контур; Д - величина отклонения

На основании разработанной методики экспериментальные исследования проводили в два этапа: для проверки влияния технологических параметров на изгиб деталей после асимметричного упрочнения и для исследования влияния условий приложения силы на форму и величину прогиба, а также исследование влияния релаксации на асимметрично упрочненные детали.

Проверена комплексная аналитическая модель определения изгиба, возникающего после асимметричного упрочнения. Исследована зависимость точности формы и качества поверхностного слоя нежестких валов от технологических условий асимметричного упрочнения. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по разработанной комплексной модели показало хорошую сходимость результатов.

Разработана методика экспериментального исследования изгиба детали на основе метода гармонического анализа. Для этого аналитическое представление реального контура детали (рис.6) было представлено периодической функцией с помощью тригонометрического ряда Фурье с конечным числом членов "п":

где совокупность величин С* носит название спектра амплитуд, совокуп-1 ность величин ср^ является спектром фаз. Каждой данной точке Мр реального контура ставится в соответствие точка М„ номинального контура, образованная пересечением номинального контура с нормалью к нему, проходящей через точку Мр.

Основными видами изучаемых погрешностей при исследовании изгиба валов являются эксцентриситеты еф и фазы <р поперечных сечений, определяемые первым членом разложения в ряд Фурье.

В ходе проведения экспериментов контролировались: величина эксцентриситета (биения) обрабатываемых образцов; величина стрелы прогиба обработанной детали; профиль поперечных сечений образцов.

С целью определения отклонений формы изогнутого асимметричным упрочнением вала была применена методика практического спектрального анализа по схеме 12 ординат с построением графика функции Д(ф). Окружность валика метками разделяли на 12 равных частей и при его прокручивании в центрах через каждые 30° микронным индикатором измерялись ординаты от настроечного нулевого уровня. Измерения производились в пяти сечениях по длине образца (I — V).

Регистрация измеренных ординат и математическая обработка данных производились по следующему алгоритму. Рассчитывались частные случаи от-

клонений функции Д(ср): отклонение положения (эксцентриситет) по Д^ф), овальность по Д2(ф), трехвершинная огранка (если она появлялась) по Дз(ф) и так далее. Продольный прогиб определялся по величине эксцентриситетов отдельных поперечных сечений, выбранных вдоль оси детали.

На основании методики спектрального анализа проводилась обработка результатов измерений. Определялось положение геометрических центров поперечных сечений образцов: эксцентриситеты образцов е9 относительно общей оси вращения ОХ и фазы (углы поворотов <р) максимальных значений этих эксцентриситетов относительно общей плоскости ХОУ.

По результатам полученных данных построены круглограммы (рис.7) и графики (рис.8), характеризующие отклонения положения реального контура от номинального.

Исследовано влияние релаксации остаточных напряжений по времени после асимметричного упрочнения. После обкатывания измерялась абсолютная величина прогиба образцов. Повторный контроль отложенных образцов был произведен через 9 месяцев после изготовления. Через 22 месяца после обработки был произведен повторный контроль. Результаты измерений обрабатывались с помощью методики спектрального (гармонического) анализа (рис.8).

Рис.7. Круглограммы валика, полученные после обкатывания: а - круглограммы пяти сечений образца (1-У); б - обобщенная круглограмма

Рис.8. Результаты гармонического анализа образца после релаксации по времени: а -график эксцентриситетов; б - график фаз: 1 - сразу после обкатывания; 2 - через 9 месяцев после обработки, 3 - через 22 месяца после обработки

Эксперименты показали стабильность полученной величины прогиба. Величина закручивания образцов при пространственном изгибе со временем уменьшается. Следовательно, для сохранения формы пространственного изгиба необходимо применять стабилизирующие виды обработки, например старение под напряжением.

На основании проведенных экспериментов и созданной теоретической методики разработаны рекомендации по выбору параметров асимметричного обкатывания.

В шестой главе приведены практические рекомендации для технологического обеспечения заданных характеристик точности и качества поверхностного слоя.

Показано, что методами асимметричного поверхностного пластического деформирования можно обеспечить заданные комплексные показатели качества, которые необходимы для обеспечения эксплуатационных показателей деталей.

Разработана технологическая комплексная модель управления точностью и качеством поверхностного слоя деталей. Приведены практические рекомендации по проектированию технологических операций, на основании которых поверхностным пластическим деформированием могут быть достигнуты следующие цели:

1) в зависимости от конфигурации деталей: управление их комплексными ' характеристиками качества, в том числе точностью формы;

2) в зависимости от требований к точности формы и качеству поверхностного слоя деталей:

2а) создание изгиба при обеспечении заданного качества поверхностного

слоя;

26) исправление уже имеющегося изгиба, обеспечивая комплексные характеристики качества поверхностного слоя;

2в) обработка изогнутых деталей без изменения формы, обеспечивая при этом равномерные характеристики наклепа по периметру и длине;

2г) обработка ровных деталей с целью управления характеристиками параметров поверхностного наклепа по заданному закону;

2д) обработка прямых и изогнутых деталей с целью управления характеристиками параметров поверхностного наклепа вдоль детали по заданному закону упрочнения.

На основании научной концепции разработана методология управления точностью и качеством длинномерных деталей в зависимости от цели упрочнения.

Управление точностью и качеством поверхностного слоя нежестких длинномерных деталей производится в зависимости от цели обработки на основании разработанной модели выбора оптимального способа обработки с использованием автоматизированной системы поддержки принятия решений и комплексной модели технологического обеспечения эксплуатационных параметров деталей для различных методов упрочнения.

Для определения целей обработки проводится предварительный анализ.

В зависимости от цели обработки устанавливаются основные (ключевые) и неосновные характеристики (ограничивающие условия) - качества обрабатываемой детали.

Проводится выбор оптимального способа обработки и комплексных технологических условий упрочнения с использованием СППР.

В соответствии с разработанной комплексной моделью технологического обеспечения качества асимметрично упрочненных деталей, с учетом определенной силы, методом итераций рассчитываются параметры области контакта, остаточные напряжения, параметры получаемой точности; окончательно определяются условия и режимы обработки с целью обеспечения заданных свойств длинномерной детали.

Производится обработка детали в соответствии с выбранным методом. Прикладываем силу правки и выходим в теоретическую ось. В результате получаем детали с заданными точностью и качеством поверхности, обеспечивающими требуемые эксплуатационные свойства детали.

Для обеспечения показателей качества в зависимости от требований к детали спроектированы оригинальные устройства для обкатывания, защищенные патентами.

Методология управления точностью и качеством в зависимости от цели упрочнения может быть использована для правки деталей самой разной, в том числе сложной конфигурации. На основании исследований разработана технология правки нежестких длинномерных деталей асимметричным упрочнением поверхностным пластическим деформированием, обеспечивающая прецизионную точность и заданные свойства поверхностного слоя.

Правка производится на оборудовании с программным управлением с помощью адаптивной управляющей системы. Асимметричное упрочнение производится по рассчитанной траектории с изменяющейся по программе силой, действующей на индентор.

Основные результаты и выводы по работе

1. Создана теория, обеспечивающая связь между геометрическими параметрами длинномерных заготовок с технологическими режимами и условиями их правки внешней силой.

2. Разработана экспериментально-аналитическая методика и способ управления положением оси длинномерных деталей с различной геометрической формой путем воздействия внешней силы расчетной величины и направления в точке приложения.

3. Разработана модель технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей, в которой на основании проведенной классификации и формализации методов производится выбор оптимального способа обработки в зависимости от комплексных технологических характеристик различных методов, с выходом на обработку детали в соответствии с выбранным методом. В модели, с учетом наследственной информации и возможной релаксации остаточных

напряжений, осуществляется выбор метода асимметричного упрочнения, определение технологических режимов и условий обработки. В результате использования модели получают детали с заданными точностью и качеством поверхностного слоя.

4. Создан механизм управления геометрической точностью - величиной плоского и пространственного изгиба нежестких сплошных и полых, ровных и ступенчатых валов (труб) при асимметричном упрочнении, возникающего под действием остаточных напряжений, в зависимости от вида и метода упрочнения отдельных участков.

Создан механизм управления геометрической точностью длинномерных нежестких сложнопрофильных деталей при асимметричном упрочнении в зависимости от вида и метода упрочнения отдельных участков.

5. Разработана теоретическая модель расчета пространственных остаточных напряжений, в которой учтено влияние основных технологических параметров обработки, в том числе повторного деформирования за счет движения в направлении подачи при прохождении индентора по обработанному за предыдущий проход металла и вида трения: трения качения или трения скольжения в зависимости от используемого метода упрочнения. Исследовано влияние релаксации остаточных напряжений по времени после неравномерного упрочнения деталей обкатыванием.

Получены аналитические зависимости для прогнозирования величины и диапазона изменения шероховатости поверхности деталей, обработанных асимметричным упрочнением ППД, с учетом повторных нагружений в направлении подачи, размеров очага деформации, размеров и геометрии деформирующего инструмента и комплексного влияния упруго пластических свойств материала обрабатываемой детали. Аналитическая модель позволяет прогнозировать и корректировать качество поверхностного слоя в зависимости от способа приложения, величины силы обкатывания, подачи, геометрии и размеров инструмента, упругопластических характеристик обрабатываемого материала, размеров пятна контакта, полученных из решения упругопластической задачи.

Таким образом, установлена комплексная взаимосвязь характеристик поверхностного слоя и технологических условий обкатывания, обеспечивающая высокое качество деталей и прецизионную точность.

6. Создан технологический процесс, позволяющий устранить погрешности в длинномерных нежестких деталях разной формы за счет компенсации напряжений, вызывающих погрешность. Детали типа валов можно править на станках токарной группы. Нежесткие детали более сложной формы можно править на фрезерных станках. Эффективнее производить такую правку для исправления погрешностей на станках с программным управлением.

Для практического применения асимметричного упрочнения разработаны теоретически обоснованные рекомендации по проектированию технологических операций обкатывания, устанавливающие взаимосвязи технологических параметров и систем косвенного управления с технологическими напряжениями и остаточными деформациями, с целью автоматического управления точно-

стью формы и качеством нежестких деталей. Разработанная практическая методика включает прогнозирование величины и диапазона изменения шероховатости и глубины упрочненного слоя поверхности деталей.

7. Для внедрения процесса в производство, на основании проведенных экспериментов и установленных теоретических закономерностей, разработаны рекомендации по выбору параметров асимметричного обкатывания: технологических условий, режимов обработки и необходимой геометрии инструментов.

Предложены устройства для обкатывания (патенты на полезные модели №105215, №104499), с помощью которых можно обеспечить заданные показатели качества для нежестких цилиндрических деталей, в зависимости от требований к детали: для получения равномерного поверхностного наклепа; для управления характеристиками параметров поверхностного наклепа по заданному закону упрочнения; для активного управления характеристиками параметров поверхностного наклепа в зависимости от цели обработки.

На основании разработанных закономерностей создана практическая методика определения оптимальных условий и режимов обработки деталей с целью обеспечения параметров качества: формы и величины плоского и пространственного изгиба после асимметричного упрочнения нежестких деталей, учитывающего схему приложения неравномерной силы обкатывания, а также прогнозирование величины и диапазона изменения шероховатости и твердости поверхности.

Разработана технология правки нежестких длинномерных деталей асимметричным упрочнением поверхностным пластическим деформированием, обеспечивающая прецизионную точность и заданные свойства поверхностного слоя. Разработан алгоритм управления процессом устранения погрешностей формы сложнопрофильных длинномерных деталей, что позволяет устранить необходимость дополнительных чистовых операций, уменьшить количество брака и трудоемкость обработки. Для управления точностью формы и качеством поверхностного слоя асимметричное упрочнение осуществляется на оборудовании с ЧПУ по уточненным режимам, с использованием управляющей программы. В этом случае асимметричное упрочнение производится по рассчитанной траектории с изменяющейся по программе силой обкатывания.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Григорьев С.Н., Технологическое управление качеством поверхностного слоя по заданному закону упрочнения / С.Н. Григорьев, Е.Ю. Кропоткина // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2012. №9. - С. 8-12.

2. Григорьев С.Н.,. Выбор оптимального способа поверхностного пластического деформирования / С.Н. Григорьев, Е.Ю. Кропоткина // Вестник МГТУ СТАНКИН. - 2012. №2. - С.144-147.

3. Кропоткина Е. Ю. Аналитическое исследование влияния параметров обкатывания на шероховатость поверхности /Е.Ю. Кропоткина // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2012. №1. - С. 6-9.

4. Кропоткина Е. Ю. Аналитическое исследование комплексного влияния асимметричного упрочнения на точность нежестких деталей / Е.Ю. Кропоткина // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. №12. - С.З-б.

5. Кропоткина Е. Ю. Совершенствование технологии обработки нежестких деталей / Е.Ю. Кропоткина // Технология Машиностроения. - 2011. №9. -С. 21 -24.

6. Кропоткина Е. Ю., Влияние асимметричного упрочнения поверхностным пластическим деформированием на эксплуатационные свойства деталей / Е.Ю. Кропоткина, A.C. Донсков, А.Ф. Плотников // Технология Машиностроения. -2011. №10.-С. 21 -24.

7. Кропоткина Е.Ю. Управление малыми деформациями нежестких деталей различными методами поверхностного пластического деформирования / Е.Ю. Кропоткина// Вестник МГТУ СТАНКИН. - 2011. №3. - С. 52-57.

8. Кропоткина Е.Ю. Исследование величины и диапазона изменения шероховатости поверхности деталей после асимметричного упрочнения / Е.Ю. Кропоткина // Вестник МГТУ СТАНКИН. 2011. №3. - С. 112-114.

9. Кропоткина Е.Ю. Управление качеством нежестких деталей методами поверхностного пластического деформирования / Е.Ю. Кропоткина // Вестник МГТУ СТАНКИН. - 2011. №2. - С.25-28.

10. Кропоткина Е.Ю. Релаксация остаточных напряжений по времени ' после поверхностного пластического деформирования / Е.Ю. Кропоткина // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. №2. - С. 27-31.

11. Кропоткина Е.Ю. Аналитическое моделирование изгиба вала при асимметричном упрочнении / Е.Ю. Кропоткина // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. №1. - С. 6-9.

12. Кропоткина Е.Ю. Релаксация остаточных напряжений по времени после асимметричного упрочнения нежестких валов / Е.Ю. Кропоткина // Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». 2008 №3-2/271(546) - с.18-22.

13. Кропоткина Е.Ю. Моделирование изгиба вала под действием асимметричного упрочнения / Е.Ю. Кропоткина // Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». 2008 №3-4/271(546). - с.59-62.

14. Кропоткина Е.Ю. Аналитическое исследование влияния кратности приложения нагрузки при обкатывании (выглаживании) на интенсивность деформации и остаточные напряжения / Е.Ю. Кропоткина, Е.А. Евсин // Инструмент и технологии. - 2001. № 5-6. - С.30-34.

15. Донсков A.C., Остаточные напряжения и устранение погрешности формы неравномерным упрочнением / A.C. Донсков, Е.Д. Мокроносов, Е.Ю. Кропоткина // Вестник машиностроения. - 1993. №4. - С.43-46.

Книги

16. Зайдес С.А. Моделирование процессов поверхностного пластического деформирования: монография / С.А, Зайдес, Е.Ю. Кропоткина, А.Р. Лебедев. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - 309с.

17. Технологии экспериментальных исследований: монография / под ред. С.А. Зайдеса. - Иркутск: Изд-во НИ ИрГТУ, 2011. - 572с.

18. Кропоткина Е.Ю. Повышение точности нежестких деталей: монография / Е.Ю. Кропоткина//- М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2012. - 162 с.

Статьи и материалы конференций

19. Кропоткина Е.Ю. Оптимизация асимметричного упрочнения ПГЩ нежестких деталей / Е.Ю. Кропоткина// Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы докл. I Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. С. 71-75.

20. Кропоткина Е.Ю. Исследование влияния технологической наследственности на качество и точность асимметрично упрочненных деталей / Е.Ю. Кропоткина // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2010. - С 83 - 87.

21. Кропоткина Е.Ю. Моделирование изгиба нежестких деталей сложной формы при асимметричном обкатывании / Е.Ю. Кропоткина // Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж : ВГТА, 2009. - С. 109-114.

22. Кропоткина Е.Ю. Математическое моделирование изгибов нежестких деталей / Е.Ю. Кропоткина // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф.: - Псков: Изд-во Псков, гос. политехи, ин-та, 2009. Т.5. Секция 5,- С. 22 - 24.

23. Кропоткина Е.Ю. Моделирование изгиба нежестких валов / Е.Ю. Кропоткина // Наука и образование-2009: материалы междунар. науч.-техн. конф. [Электронный ресурс]. Мурманск: МГТУ, 2009. - С. 104 - 106.

24. Кропоткина Е.Ю., Влияние асимметричного упрочнения на эксплуатационные свойства деталей /Е.Ю. Кропоткина, И.А. Коропенко // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Ростов-н/Д., 2009. - С. 216-217.

25. Кропоткина Е.Ю. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя и точности формы асимметрично упрочненных деталей /Е.Ю. Кропоткина// Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении: I междунар. науч.-техн. конф. - Ростов-н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. - С. 221-226.

26. Кропоткина Е.Ю. Применение метода спектрального анализа для исследования формы асимметрично упрочненных валов /Е.Ю. Кропоткина// Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки: материалы международной научно-технической конференции. - Ростов-н/Д.: ДГТУ, 2008. - С. 12 - 15.

27. Кропоткина Е.Ю. Комплексное управление эксплуатационными характеристиками деталей методами ППД / Е.Ю. Кропоткина // Технологическая механика материалов: межвузовский сб. научных тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - С. 82-85.

28. Мельникова М.А. Совершенствование технологии асимметричного упрочнения маложестких деталей. / М.А. Мельникова, П.С. Костюков, Е.Ю. Кропоткина // Машиностроение: межвуз. сб. науч. тр. - Краснодар: Кубан. гос. технол. ун-т, Издательский Дом - Юг. - 2009. Вып.З - С.110-113.

29. Кропоткина Е.Ю. Методика управления формой нежестких валов асимметричным обкатыванием /Е.Ю. Кропоткина// Новые технологии, конструкции и процессы производства: Сб. науч. тр./ Рост. гос. акад. с.-х. машиностроения, Ростов н/Д, 2007, 262 с. - С. 163-164.

30. Кропоткина Е.Ю. Управление формой нежестких валов методами поверхностного пластического деформирования / Е.Ю. Кропоткина // Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении: науч. - практ. конф. Сб. науч. тр. — Ростов-н/Д, 2007. - С.96-97.

31. Кропоткина Е.Ю. Теоретическая методика определения траектории движения инструмента при асимметричной обработке / Е.Ю. Кропоткина, A.C. Донсков, Т.А. Осечкина // Технологическая механика материалов: межвуз. сб. науч. тр. - Иркутск: ИрГТУ, 2004. - С.78-81.

32. Кропоткина Е.Ю. Устранение изгиба нежестких деталей методом обкатывания / Е.Ю. Кропоткина // Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении. - Иркутск: ИрГТУ, 1996. - С.37.

33. Донсков A.C., Математическое обеспечение для выбора режима обкатывания при устранении деформации изгиба длинных валов / A.C. Донсков, Е.Ю. Кропоткина // Повышение эффективности и качества в механосборочном производстве. - Пермь: ППИ, 1991. - С.24-25.

34. Кропоткина Е.Ю. Разработка математической модели изгиба длинных валов при неравномерном обкатывании / Е.Ю. Кропоткина, П.Г. Оборин // Тезисный доклад научно-технической конференции по результатам научно -исследовательских работ. - Пермь: ППИ, 1991. - С.22.

35. Исаев А.Н., Технологическое обеспечение точности и качества базовых отверстий зубчатых колес методами ППД / А.Н. Исаев, В.И. Кузьмин, Е.Ю. Кропоткина // Интенсификация производства и повышение качества изделий поверхностным пластическим деформированием. - Тольятти: ТПИ, 1989. -С.68.

Патенты

36. Патент на полезную модель №105215 (РФ). Устройство для упрочняющей поверхностной обработки цилиндрических деталей / Кропоткина Е.Ю., Корниенко A.A. // Бюл., 2011. №16. 4 с.

37. Патент на полезную модель №104499 (РФ). Устройство для упрочняющей поверхностной обработки цилиндрических деталей / Кропоткина Е.Ю., Корниенко A.A. //Бюл., 2011. №14. 4 с.

38. Положительное решение по заявке на выдачу патента от 22.10.91. В24В 39/04. Способ отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей / A.C. Донсков, A.A. Плотников, A.A. Кропоткин, Е.Ю. Кропоткина. - № 4899187/27; Заявл. 03.01. 91.

и-

Подписано в печать 05.02.2013г. Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Зак.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

/

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

На правах рукописи

05201350709

Кропоткина Елена Юрьевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Григорьев С.Н.

Москва 2012

і

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение...............................................................................................................6

1. Влияние ППД на свойства нежестких деталей.

Современное состояние проблемы. Постановка задачи......................................13

1.1. Сущность поверхностного пластического деформирования..........13

1.2. Изменение отклонений формы и размеров деталей при ППД, роль в этом технологических остаточных напряжений...................................14

1.3. Остаточные напряжения при обкатывании и выглаживании...........23

1.3.1. Расчетные методы определения остаточных напряжений...........28

1.3.2. Релаксация остаточных напряжений..............................................36

1.4. Влияние поверхностного пластического деформирования на параметры качества поверхностного слоя..............................................................40

1.5. Влияние поверхностного пластического деформирования на эксплуатационные свойства деталей......................................................................47

1.6. Анализ материалов по теме работы и задачи исследований..........53

2. Методология решения задач технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей.........................................................................57

2.1. Виды деталей, для которых рекомендуется применение метода асимметричного упрочнения.................................................................................57

2.2. Методика управления положением оси длинномерных

деталей.......................................................................................................................61

2.3. Методы обеспечения заданных эксплуатационных свойств упрочненной детали.................................................................................................65

2.4. Разработка путей исследования влияния технологической наследственности на качество асимметрично упрочненных деталей..................69

2.5. Методы классификации и формализации способов поверхностного пластического деформирования..................................................73

2.6. Проектирование комплексной модели формирования

эксплуатационных параметров деталей в зависимости от технологических

характеристик различных методов ППД.............................................................79

2.6.1. Подготовка исходных данных для автоматизированного выбора оптимального способа ППД, обеспечивающего формирование необходимых эксплуатационных параметров деталей.......................................77

2.6.2. Методика выбора оптимального способа обработки и комплексных технологических условий упрочнения с использованием системы поддержки принятия решений...........................................................85

2.7. Выводы..............................................................................................96

3. Разработка механизма протекания контактных явлений при асимметричном поверхностном пластическом деформировании...................98

3.1. Исследование асимметричной эпюры упрочняющей силы...........101

3.1.1. Создание асимметричной эпюры упрочняющей силы при обработке деталей сложной конфигурации...........................................101

3.1.2. Создание асимметричной эпюры упрочняющей силы при обработке осесимметричных деталей..............................................................102

3.2. Обоснование основных параметров области контакта

при обкатывании, выглаживании.....................................................................108

3.3. Обоснование формирования остаточных напряжений с учетом влияния подачи при поверхностном пластическом деформировании.....................................................................................................115

3.4. Выводы.............................................................................................128

4. Управление механизмом формирования параметров точности и качества поверхностного слоя после асимметричного упрочнения.................................129

4.1. Моделирование механизма правки нежестких деталей после

асимметричного упрочнения ППД..................................................................129

4.1.1. Моделирование формирования изгибов цилиндрических деталей при приложении нагрузок в одной осевой плоскости после асимметричного упрочнения...........................................................................129

4.1.2. Моделирование формирования пространственных изгибов

после асимметричного упрочнения нежестких цилиндрических деталей.......135

4.1.3. Исследование пространственных изгибов нежестких длинномерных деталей сложной конфигурации после асимметричного упрочнения........................................................................................................143

4.2. Пути повышения показателей качества поверхностного слоя после асимметричного ППД............................................................................149

4.2.1. Шероховатость поверхности после асимметричного ППД.......149

4.3. Оптимизация технологических параметров асимметричного упрочнения поверхностным пластическим деформированием нежестких деталей..............................................................................................................152

4.4. Выводы..................................................................................................157

5. Обоснование правомерности разработанного механизма и модели асимметричного упрочнения для правки деталей произвольной формы.........159

5.1. Влияние технологических параметров на величину изгиба оси детали при асимметричном упрочнении............................................................169

5.2. Влияние схемы приложения силы при асимметричном упрочнении..............................................................................................................193

5.3. Релаксация асимметрично обкатанных образцов под влиянием времени................................................................................................................211

5.4. Шероховатость после асимметричного упрочнения.....................234

5.5. Выводы................................................................................................237

6. Проектирование технологического процесса с обеспечением заданных показателей качества...............................................................................................240

6.1. Технологическое обеспечение качества поверхностным пластическим деформированием.........................................................................240

6.2. Пути повышения характеристик качества сложных по форме изделий технологическими методами правки поверхностным пластическим деформированием...................................................................................................241

6.3. Пути повышения характеристик качества осесимметричных длинномерных деталей методами правки асимметричным упрочнением........245

6.3.1. Особенности упрочняющей поверхностной обработки изогнутых цилиндрических деталей с целью получения более равномерного поверхностного наклепа..........................................................249

6.3.2. Особенности упрочняющей поверхностной обработки цилиндрических деталей с целью управления характеристиками параметров поверхностного наклепа по заданному закону упрочнения...........254

6.3.3. Особенности упрочняющей поверхностной обработки цилиндрических деталей с целью активного управления характеристиками параметров поверхностного наклепа в зависимости от цели обработки...........27

6.4. Методология управления точностью и качеством в зависимости

от цели ППД,

262

6.4.1. Автоматизация управления процессом асимметричного упрочнения ППД с учетом цели обработки...........................................

280

6.5. Выводы..................................................................

Основные результаты и выводы по работе.........................

Библиографический список использованной литературы Приложения...........................................................................

281

284

288

321

Введение

Надежность и производительность выпускаемых машин зависит от качества изготовленных деталей. Эксплуатационные свойства деталей (контактная жесткость, износостойкость, усталостная прочность и др.) связаны с точностью размеров, формы, и расположения отдельных поверхностей.

В машиностроении имеется большое количество ответственных длинномерных деталей различной конфигурации, у которых появляется искривление продольной оси. Наиболее серьезной проблемой является обеспечение точности формы таких деталей на последних этапах обработки или при ремонте. Способы холодной правки на прессах здесь не всегда подходят, так как при этом сложно обеспечить прецизионную точность обработки и необходимое качество поверхностного слоя. Поэтому более целесообразным и актуальным является управление требуемой геометрией нежестких деталей на основе асимметричного упрочнения методами поверхностного пластического деформирования.

Методы асимметричного упрочнения позволяют обеспечить требуемые деформации при высоком качестве обработанной поверхности и сравнительно малой трудоемкости. Однако использование асимметричного упрочнения приводит к разному качеству поверхностного слоя по периметру детали: твердости, глубины упрочненного слоя, шероховатости, остаточных напряжений. Эти величины оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства деталей. Поэтому для получения необходимых показателей качества деталей, обработанных этим методом, необходимо выбирать оптимальные технологические параметры процесса.

Одной из актуальных проблем является выбор способа обработки, обеспечивающего заданные комплексные характеристики, определяющие эксплуатационные свойства деталей. Наличие большого многообразия методов и условий их применения, а также разнообразные технические требования к обраба-

тываемым деталям делает выбор способа обработки сложной технологической задачей. В связи с этим, в машиностроении актуальна проблема создания автоматизированной системы, которая помогала бы технологу выбрать оптимальный метод, условия обработки и инструмент.

Для практического применения асимметричного упрочнения с целью управления качеством и прецизионной точностью нежестких деталей, нужно иметь механизм получения всех заданных параметров качества деталей: точности размеров и формы, шероховатости, структуры, твердости и т.д.

В связи с этим, необходимо, во-первых, иметь возможность выбора оптимального метода обработки, осуществимого в производственных условиях; во-вторых, до начала механической обработки иметь механизм определения необходимых технологических режимов и условий обработки в зависимости от заданных характеристик обрабатываемой детали. В этом случае, при правке длинномерных нежестких сложнопрофильных деталей особенно сложным является выявление точки приложения и направления силы инструмента. При этом, часто ответственные детали по своим эксплуатационным параметрам требуют не более одного - двух приложений силы при правке. Поэтому до начала правки необходимо знать точку приложения вектора силы и его величину.

Объектом исследований является правка длинномерных нежестких деталей асимметричным упрочнением.

Предметом исследования является повышение качества нежестких ответственных деталей методами асимметричного поверхностного пластического деформирования.

В работе использованы научные положения технологии машиностроения, оптимизации и автоматизации процессов, вопросы управления с использованием системы поддержки принятия решений, теоретические положения теории упругости и пластичности, метод последовательных приближений, метод спектрального (гармонического) анализа. Экспериментальные исследования основываются на теории планирования эксперимента, методах статистической об-

работки данных, средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Научная новизна работы

- разработана методология проектирования процесса правки и технологических режимов длинномерных деталей, имеющих различную геометрию и механические характеристики материала, в основе которой лежит научная концепция, заключающаяся в том, что в узком диапазоне упругопластических деформаций, свойственных правке детали, величина упругости конструкции (детали) измеряется в пределах ошибки измерения, что позволяет принять жесткость детали любой геометрии постоянной, а воздействие момента компенсировать изменением вектора силы;

- найдены связи и закономерности между величиной и формой изгиба детали, качеством поверхностного слоя (шероховатостью, остаточными напряжениями, глубиной упрочненного слоя) и технологическими условиями асимметричного упрочнения, что позволило обеспечить заданные эксплуатационные свойства ответственных деталей;

- разработана новая комплексная модель управления показателями точности и качества поверхностного слоя сложнопрофильных деталей методами асимметричного упрочнения с учетом релаксации и наследственных явлений, которая состоит из модели создания асимметричной эпюры упрочняющей силы (обкатывания или выглаживания) в зависимости от условий обработки; модели определения параметров области контакта и распределения остаточных напряжений, учитывающая влияние вида трения и кратность приложения нагрузки в направлении подачи на объемное распределение остаточных напряжений; модели управления изгибом с целью обеспечения точности нежестких деталей; модели прогнозирования параметров качества поверхностного слоя после асимметричного упрочнения;

- предложен новый способ управления положением оси длинномерных деталей, отличающийся тем, что в нем автоматически устанавливается обобщен-

ный вектор воздействия силы для правки оси, а при определении величины силы учитываются индивидуальные геометрические размеры и механические характеристики материала детали;

- предложен механизм получения требуемого положения оси длинномерной детали при правке, отличающейся многократной адаптацией состояния системы и ускоренным сближением начального и требуемого положения оси при минимальном количестве воздействий силы в области упругопластической деформации детали;

- предложена модель технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств асимметричным упрочнением от заготовки до готовой детали, с учетом наследственных явлений и явлений релаксации, с использованием аналитической автоматизированной информационной системы, применимая для различных методов поверхностного пластического деформирования.

Новизна подтверждена 2 патентами на полезные модели и положительным решением по заявке на выдачу патента.

Достоверность научных положений и технических решений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями автора, сопоставлением полученных решений и их результатов с соответствующими данными, опубликованными в различных литературных источниках, а также испытаниями в производственных условиях.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- установлена возможность восстановления геометрии и (или) повышения механических свойств сложнопрофильных деталей, что позволило восстановить работоспособность дорогостоящих изделий и надежность высоконагру-женных деталей. Полученные закономерности использованы в технологическом процессе восстановления геометрической формы при повышении усталостной прочности силовых прецизионных деталей, позволившие устранить брак на стадии окончательной обработки деталей;

- создано методическое и программное обеспечение для автоматизированного расчета пространственного изгиба деталей, возникающего под действием асимметричного упрочнения поверхностного слоя. Экспериментально подтверждена возможность наведения или исправления кривизны нежестких деталей с помощью асимметричного упрочнения поверхностным пластическим деформированием (обкатыванием, выглаживанием). Разработанная методика асимметричного упрочнения обеспечивает высокое качество поверхностного слоя деталей и позволяет автоматизировать технологический процесс обработки;

- создано методическое обеспечение для выбора оптимального способа обработки и комплексных технологических условий упрочнения с использованием автоматизированной системы поддержки принятия решений при проектировании техпроцессов с целью формирования заданных эксплуатационных параметров деталей в зависимости от технологических характеристик различных методов поверхностного пластического деформирования с выходом на обработку детали в соответствии с выбранным методом;

- установлены связи между требованиями разработчика к сложнопрофиль-ным деталям и возможностям технолога по обеспечению заданных технологических показателей. Это позволило расширить возможности конструкторов и технологов по созданию изделий с предельными техническими характеристиками при минимизации массы изделий и достижения высокой надежности.

Разработанная методика выбора оптимального способа обработки апробирована и принята к использованию на ОАО «Пермский Моторный Завод». Разработанная методика управления изгибом неж