автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка научных основ производства тонкостенных деталей осесимметричным деформированием вращающимся инструментом

/

/8.0 б, Л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

УДК 621.787:621.89

(Решение от

с С С К V-Шаправф рукописи

осудил уче^тс л

_____________¿^ЛМ?-/ :

.............................~....................

ТАРАСОВ Валерий Васильевич

Разработка научных основ производства тонкостенных деталей осесимметричным деформированием вращающимся инструментом

05.02.08 - Технология машиностроения;

05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Научный консультант - член-корр. РАН, д.т.н., проф. Липанов А.М.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ижевск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение.........................................................................................................5

Глава 1. Управление свойствами поверхностного слоя и качеством изделий при упрочнении и формоизменении

1.1. Область применения и пути повышения эффективности процессов осесимметричного деформирования тонкостенных деталей...................14

1.2. Расширение возможностей управления параметрами трибо-механических систем в машиностроении ................................................22

1.3. Контактные условия как фактор повышения эффективности процессов осесимметричного деформирования......................................32

1.4. Выводы....................................................................................................40

Глава 2. Изучение на основе феномена анизотропного трения возможностей управления параметрами технической системой

2.1. Феномен анизотропного трения.............................................................42

2.2. Моделирование анизотропии трения.....................................................44

2.2.1. Математическое представление анизотропного трения.................45

2.2.2. Имитационное моделирование анизотропии трения.......................53

2.3. Методологические аспекты и оснастка для исследований анизотропии трения.................................................................................65

2.3.1. Минитрибометр.................................................................................70

2.3.2. Приспособления для изучения анизотропии трения.......................73

2.4. Экспериментальные исследования анизотропии трения......................77

2.4.1. Исследования на имитационной механической модели.................77

2.4.2.Натурные испытания..........................................................................79

2.5.Оценка анизотропии трения на плоской и цилиндрической

поверхности..............................................................................................84

2.6. Выводы.....................................................................................................89

Глава 3. Основы технологии осесимметричного деформирования тонкостенных деталей вращающимся инструментом

3.1. Обобщенные решения формоизменения при неколлинеарности век-

торов скорости главного движения и результирующей сил трения.........91

3.1.1. Процессы с деформацией без утонения...................................94

3.1.2.Процессы деформации с принудительным утонением...........104

3.2. Сущность и классификация технологических приемов воздействия

на заготовку при деформировании с вращением..................................114

3.3. Силовые параметры дорнования вращающимся инструментом.......118

3.4. Деформации изделий после обработки................................................133

3.5. Точность и отклонения от геометрической формы.............................137

3.6. Шероховатость упрочненной поверхности..........................................144

3.7. Структурные изменения и упрочнение поверхностного слоя.............154

3.8. Эксплуатационные характеристики упрочненных поверхностей.......162

3.8.1. Износостойкость при абразивном и механическом изнашивании.....................................................................................163

3.8.2. Износостойкость при коррозионно-механическом изнашивании.....................................................................................172

3.8.3. Износостойкость при фреттинг-коррозии.....................................179

3.8.4. Коррозионная стойкость.................................................................181

3.9. Выводы...................................................................................................188

Глава 4. Методические аспекты трибомониторинга в упрочняющих и формоизменяющих технологиях

4.1.Трибомониторинг при упрочнении и формоизменении ....................192

4.1.1. Оценка эффективности смазочных материалов.........................192

4.1.2. Контроль коэффициента трения с использованием дополнительного внешнего воздействия............................................202

4.1.3. Учет фактора анизотропии трения при дорновании

и винтовом обжатии....................................................................225

4.2. Методология испытаний покрытий и упрочненных слоев на износостойкость....................................................................................231

4.3. Рентгеноспектральный анализ в оценке износостойкости поверхности ..........................................................................................244

4.4. Температурные условия при упрочнении и формоизменении..........248

4.4.1. Решение и оценка максимальной температуры.......................248

4.4.2. Методика построения температурных полей...........................257

4.5. Трибомониторинг лезвийного инструмента.........................................263

4.6. Выводы..................................................................................................268

Глава 5. Эффективность обработки деталей в условиях изменения кинематики процессов осесимметричного деформирования

5.1. Технологии обработки цилиндрических отверстий...........................271

5.1.1. Особенности обработки деталей с перфорированной стенкой...278

5.2. Технологические схемы, установки, оснастка и инструмент.............292

5.3. Выводы.................................................................................................305

Заключение..............................................................................................306

Литература...............................................................................................314

Приложения.............................................................................................337

Введение

Актуальность темы. В основе современного машиностроительного производства лежат формоизменяющие и упрочняющие технологии, сочетание преимуществ которых, предопределяет их использование на длительную перспективу.

Формоизменяющие технологии листовой штамповки получили широкое распространение благодаря ряду экономических и технических преимуществ: высокой производительности, возможности механизации и автоматизации операций при высоком качестве получаемых изделий, относительной экономичности расхода материала и т.д.

Особый интерес к упрочняющим технологиям на основе поверхностного пластического деформирования вызван тем, что они позволяют без замены материала, повысить качество изделий за счет упрочнения рабочих поверхностей, с которых, как правило, и начинается процесс разрушения деталей при эксплуатации. Это особенно важно для тонкостенных деталей, резервы использования возможностей материала у которых весьма ограничены.

Широкое применение в машиностроении легированных сталей с высокими механическими характеристиками значительно повышает трудоемкость обработки изделий из-за роста контактных напряжений в очаге деформации и повышения деформирующих усилий, склонности этих материалов к наросто-образованию, осложняющему условия смазки.

Повышение эффективности процессов формоизменения и упрочнения и улучшения качества изделий в значительной мере определяется эволюцией подходов к управлению трением, а глобальный масштаб проблемы, ставит ее в ряд наиболее актуальных технологических проблем. Управление трением осуществляется как за счет изменения схемы внешних силовых воздействий, изменяющих кинематику процесса, так и путем создания эффективных способов подвода смазки и выбора состава смазочного материала, влияющих на контактные условия в очаге деформации. Здесь еще не исчерпаны перспективы более широкого использования твёрдых смазочных материалов (ТСМ) наряду с жидкими и пластичными, которые в ряде случаев оказываются ма-

лоэффективными при деформировании легированных сталей. Для выработки обоснованных рекомендаций применения ТСМ требуются дополнительные исследования по их влиянию на показатели качества изделий.

При проведении расчётов силовых параметров процессов, выборе оборудования и смазочного материала, необходимо знание коэффициента контактного трения - Ц . Существующие методы его определения весьма трудоёмки, требуют специального оснащения и высококвалифицированного обслуживания, что затрудняет оперативное получение результатов для производства, поэтому актуальна разработка более доступных методов определения ц..

В машиностроительной практике используется широкий арсенал кон-структорско-технологических приёмов, повышающих эффективность управления параметрами технических систем, в том числе технологического класса. Важно, в этой связи, выработать общие, универсальные подходы к интенсификации процессов обработки на основе проверенных практикой решений.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является: разработка новых способов производства тонкостенных заготовок осесимметрич-ным деформированием вращающимся инструментом и теории расчета силовых и кинематических параметров процессов, обеспечивающих повышение эффективности производства и улучшение показателей качества изделий.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:

• Создание научных основ расчета технологии осесимметричного деформирования тонкостенной заготовки вращающимся инструментом, классификация схем ее интенсификации и разработка средств технологического оснащения. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния основных технологических факторов на силовые параметры процессов и показатели качества изделий, включая упрочнение поверхностного слоя.

• Систематизация технических решений, расширяющих возможности управления параметрами трибомеханических систем внешним силовым воздействием, с целью выявления и формулирования единого идентификацион-

ного признака, для целенаправленного использования в синтезе новых технологий и конструкторских разработок, повышающих уровень производства.

• Разработка принципа повышения управляемости параметрами технологических систем осесимметричного дефомирования с дополнительным силовым воздействием на основе сформулированного признака.

• Обоснование трибометрологических подходов к анализу трения, в том числе с учетом его анизотропии, при осесимметричном деформировании. Разработка экспериментального оснащения и методического обеспечения для трибодиагностики основных фрикционных и эксплуатационных характеристик поверхностного слоя после упрочнения.

Научная новизна

• Созданы научные основы технологии осесимметричного деформирования тонкостенной заготовки на базе разработанных математических моделей процессов с учетом дополнительного вращения инструмента, построена классификация схем интенсификации процессов;

• Теоретически доказан и экспериментально подтвержден для осесимметричного деформирования с дополнительным вращением инструмента, выдвинутый принцип повышения управляемости технологическими системами путем дополнительного воздействия, ортогонального вектору скорости главного движения;

• Установлено, что характер смещения тела на цилиндрических опорах качения (катках) при его движении по разным направлениям, моделирует эффект анизотропного трения, на основе чего разработана имитационная механическая и математическая модели процесса. Взаимосвязи основных параметров моделей, справедливы для технологических систем с признаком неколлинеарности вследствие эквивалентности силовых схем и могут быть использованы для их математического описания;

• На основе предложенного принципа повышения управляемости технологическими системами научно обоснованы методики определения среднего коэффициента трения при осесимметричном деформировании тонко-

стенных заготовок и оценки его анизотропии для типовых сопряжений и поверхностей;

• Сформулирован идентификационный признак, указывающий на расширение возможности управления параметрами трибомеханических систем -неколлинеарность векторов скорости главного движения и результирующей сил трения.

Практическая ценность

Разработаны и внедрены в производство технологические процессы и средства технологического оснащения для изготовления тонкостенных деталей осесимметричным деформированием с дополнительным вращением инструмента.

Созданы методики, устройства и аппаратура для определения коэффициента трения и его анизотропии, эффективности смазочных материалов для процессов осесимметричного деформирования, относительной износостойкости покрытий и упрочненных поверхностей.

Оснастка для процессов осесимметричного деформирования, представленная в работе, отмечена бронзовой медалью ВДНХ СССР (1979).

Новизна и практическая ценность конструкторско-технологических и методических разработок подтверждена 25 авторскими свидетельствами СССР.

Методы и научные результаты работы находят применение в практике научных исследований в институтах РАН и университетах России. Основные положения диссертационной работы представляют интерес как учебный материал и используются в курсе лекций "Трибомеханика".

Научная и практическая ценность диссертационной работы подтверждается включением отдельных результатов в отчеты РАН "Важнейшие результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук" (1992, 1997).

На защиту выносятся следующие основные положения:

О Идентификационный признак, указывающий на повышение управляемости параметрами трибомеханических систем - неколлинеарность векторов скорости главного движения и результирующей сил трения.

О Принцип управления параметрами трибомеханических систем применительно к технологии обработки и методологии триботехнических исследований, заключающийся во введении в систему дополнительного силового воздействия, ортогонального вектору скорости главного движения.

О Имитационная механическая и математическая модели анизотропного трения и результаты теоретических исследований основных закономерностей процесса.

О Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния дополнительного вращения инструмента на НДС тонкостенных заготовок при осесимметричном деформировании и на эффективность управления качеством изделий и технологическими параметрами процессов.

О Методики и конструкции специальной оснастки для оценки эффективности смазочных материалов, определения среднего коэффициента трения, в том числе его анизотропию, для технологических процессов осесим-метричного деформирования.

О Методики определения относительной износостойкости при абразивном изнашивании упрочненных поверхностей и покрытии, включая многокомпонентные.

О Результаты сравнительных исследований влияния различных смазочных материалов (жидких, пластичных, твердых) на качество изделий и силовые характеристики процесса дорнования, в том числе для перфорированных деталей.

О Конструкции автоматизированного трибометра и специальной оснастки для изучения процессов анизотропного трения и абразивного изнашивания покрытий.

О Результаты внедрения новых технологических процессов, средств технологического оснащения в производство, исследовательскую практику и учебный процесс.

Работа выполнена в институте прикладной механики УрО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ по направлению "Механика поверхности и физика прочности и пластичности" по темам 1.14.1.3.

"Разработка методов получения материалов со специальными поверхностными свойствами и исследование их влияния на параметры механико-химических процессов при контактном взаимодействии" (№ гос. per. 01840069497), 1.3.2.5. "Исследование механизма формирования и свойств структурно-неоднородных металлических материалов с заданными эксплуатационными характеристиками и разработка основ технологии их получения" (№ гос. per. 01910012658), 2.25.3.2."Исследование свойств структурно-неоднородных металлических материалов, пригодных для эксплуатации в экстремальных температурных условиях и активных средах" (№ гос. per. 01940001195).

Апробация работы. Содержание и основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Использование методов ППД материалов в машиностроении", Владимир, 1981; 10-й Уральской школе металловедов-термистов "Ускорение научно-технического прогресса в металловедении и термической обработке сталей и сплавов", Устинов, 1987; II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии, Кишинев, 1987; VII Всесоюзной школе "Надежность больших систем" (Расчет и управление надежностью больших механических систем) Свердловск-Ташкент, 1988; Всесоюзной научно-практической конференции "Социально-экономическое развитие Урала", Свердловск, 1989; 4 Международном симпозиуме "Intertribo'90", Высокие Татры (ЧСФР), 1990; Всесоюзной конференции "Анализ-90", Ижевск, 1990; Всесоюзной конференции "Проблемы коррозии и защиты сплавов металлов и конструкций в морской среде", Владивосток, 1991; Национальном конгрессе по металловедению и термической обработке, Варна (Болгария), 1991; IV Всероссийской школе молодых ученых "Численные методы механики сплошной среды", Красноярск, 1992; Междунар