автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Стабилизация формы деталей вибрационным нагружением

г с од

На правах рукописи

Даукшас Казне Казисовнч

СТАБИЛИЗАЦИЯ ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ ВИБРАЦИОННЫМ НАГРУЖЕНИЕМ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск -1996

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете.

Научный руководитель -

заслуженный деятель науки и техники РСФСР доктор технических наук профессор ПромптовА.И

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Журавлев Д. А кандидат технических нау! доцент Каргопольцев С. К

Ведущая организация:

Ремонтно-механический завод Ангарской нефтехимической компаш

Защита состоится июня 1996г. в " " часов I заседании специализированного совета К 063.71.03 в Иркутске государственном техническом университете по адресу: 664074, Иркутск-74, ул. Лермонтова, 83, ауд._.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Иркутског государственного технического университета.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим выслать диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан 20 мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Р. В. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В условиях развивающихся рыночных отношений необходимая конкурентоспособность продукции машиностроения может быть достигнута только повышением технического уровня продукции, увеличением ее надежности. Одним из показателей надежности машин и механизмов является стабильность формы их базовых деталей.

Под стабилизацией формы в дальнейшем будем понимать прекращение или уменьшение искажения формы деталей или конструкций в результате перераспределения остаточных напряжений при последующих технологических операциях, в процессе хранения и эксплуатации.

Среди способов стабилизации формы все большее распространение приобретает метод силового вибрационного нагружения, основанный на использовании низкочастотных механических колебаний. Он обладает рядом достоинств: не требует дорогостоящего оборудования, сохраняет, а в иных случаях и улучшает эксплуатационные характеристики, позволяет обрабатывать даже крупногабаритные детали непосредственно на рабочих местах основного технологического процесса. Вибрационную обработку успешно используют для снижения коробления сварных конструкций и отливок.

Вместе с тем, имеющиеся в литературе сведения об эффективности вибрационной стабилизации и рекомендации по выбору режимов нагружения относятся прежде всего к остаточным напряжениям, создаваемым тепловым воздействием в деталях из малоуглеродистых сталей и чугунов. Исследований вибрационного способа снижения коробления изделий из других конструкционных материалов при напряжениях, порожденных различными технологическими процессами, недостаточно, а имеющиеся в них сведения о возможностях вибрационного метода противоречивы. Вызывают, например, сомнения приводимые в публикациях значения коэффициента перегрузки. Нет единого мнения о целесообразной длительности вибрационной обработки. Отсутствует ясность, каково влияние механических свойств материала обрабатываемой детали, его упрочнения при создании остаточных напряжений на эффективность вибрационной стабилизации. Противоречивы данные о влиянии вибрационной стабилизирующей обработки на усталостную прочность деталей.

Расширение области применения вибрационной стабилизирующей обработки, как перспективного технологического процесса, представляется вполне обоснованным. Для этого необходима выработка единого подхода к оценке его возможностей, определение границ применимости и условий использования.,

Все это говорит об актуальности и важности исследований, проведенных соискателем.

Цель работы. Расширение области применения вибрационной обработки и повышение ее эффективности требуют выработки единого подхода к оценке возможностей вибрационного метода и его эффективности. Отсюда вытекает цель настоящей работы:

- определение влияния свойств материала изделия на достижимый уровень снижения остаточных напряжений;

- оптимизация параметров вибрационного нагружения;

- разработка рекомендаций по использованию процесса вибрационной стабилизации деталей.

Научная новизна. На основе реологических моделей материала (упруго-пластической без упрочнения и упруго-пластической с линейным упрочнением) с использованием численных методов разработаны программы для оценки изменения остаточных напряжений в зависимости от механических ' свойств материала (от дисперсии пределов текучести в элементах модели материала, среднего значения предела текучести, коэффициента упрочнения) и элементов режима вибрационной стабилизации (вариантов изменения амплитуды напряжений внешней периодической нагрузки и количества циклов). С их помощью установлено, что наибольшую практическую значимость может иметь способ вибрационной стабилизации, когда амплитуда напряжений внешней периодической нагрузки, повторяясь, изменяется в форме свободных затухающих колебаний, то есть, когда моделируется ударный характер изменения возмущающей силы.

Установлена функциональная зависимость достижимого уровня снижения остаточных напряжений от вибропоглощающих свойств материалг обрабатываемой детали, элементов режима вибрационного нагружения, интенсивности пластического деформирования при создании остаточных на пряжений.

Определены критерии для назначения безопасного (не снижающего усталостную прочность) режима вибрационного нагружения и сформулированы условия эффективного применения вибрационной стабилизации.

Разработан способ электроимпульсной вибрационной стабилизирующей обработки и устройство для его осуществления. Новизна способа и новизна устройства подтверждены авторскими свидетельствами № 1361186 и № 1488318 кл. C21D1/04.

Практическая ценность и реализация работы. Прикладное значение работы заключается в том, что ее результаты позволяют прогнозировать вероятную эффективность и целесообразность вибрационной стабилизирующей обработки в зависимости от вида и состояния материала обрабатываемой детали, облегчают выбор безопасных (не снижающих усталостную прочность деталей) элементов режима вибрационного нагружения. Результаты работы внедрены на двух предприятиях г. Улан-Удэ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на региональной научно-технической конференции "Молодежь Восточной Сибири в решении проблем научно-технического прогресса" (г. Иркутск, 1978); на научно-технической конференции "Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и режущего инструмента технологическими методами" (г. Иркутск, 1979); на Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станков" (г. Куйбышев, 1980); на Всесоюзной научно-технической конференции "Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами деталей машин", (г. Киев, 1980); На 19-й, 20-й научно-технических конференциях Восточно-Сибирского технологического института (г. Улан-Удэ 1980, 1981); на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение производительности и качества механической обработки на машиностроительных предприятиях Сибири и Дальнего Востока", (г. Иркутск, 1983); на ежегодных научно-технических конференциях Ангарского технологического института (г. Ангарск, 1993, 1994, 1995, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, получены 2 авторских свидетельства на предполагаемые изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 131 странице машинописного текста, иллюстрирована 37 рисунками и 4 таблицами. Со-

стоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 наименования, приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, в виде краткой аннотации представлена структура диссертации, изложены новые результаты, полученные автором, определены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе, основываясь на работах Н.В.Калакуцкого, А-П-Абрамова, Е.Н.Болховитинова, Н.Н.Давиденкова, А.М.Дальского, Б.А.Кравченко, И.В.Кудрявцева, О.Ю.Кудрявцева, И.В.Недосеки, А.И.Промптова, АЛ.Соколовского и В.М.Сагалевича, МЛ.Хенкина и других исследователей дан анализ существующих представлений о причинах коробления деталей в процессе изготовления, хранения и эксплуатации, традиционных способов предупреждения и уменьшения коробления. Выявлено, что ни один из способов не является универсальным и единственно реальный путь уменьшения коробления - использование тех или иных методов или их сочетаний с учетом конкретных условий. В связи с этим, анализируя работы Г.А.Адояна, Э.Ч.Гини, А.М.Герчикова, И.Х.Локшина, О.Ю.Коцюбинского, Ю А.Иванова и других авторов заключаем, что определенными технологически привлекательными качествами обладает метод снижения коробления вибрационным натружением, основанный на использовании низкочастотных колебаний. В сравнении с большинством применяющихся способов виброобработка обладает рядом преимуществ: кратковременностью обработки; сохранением или даже улучшением эксплуатационных показателей; возможностью обработки крупногабаритных деталей непосредственно на рабочем месте механического или сборочного цеха; небольшой стоимостью и компактностью применяемого оборудования. "Вибрационный метод снятия напряжений является более производительным, дешевым и удобным, чем термический метод" - отмечает Д.П.Дрегер из Американского общества инженеров-механиков.

Наряду с положительными откликами в некоторых публикациях, например, в работах Т.Брогдена (Т.Вговс1еп) сделан вывод о том, что надежная стабилизация формы деталей невозможна без значительного снижения их усталостной прочности; Бюллер (ВиЫег),например, заключает, что метод

вибрационного нагружения может быть использован для стабилизации формы деталей и не может быть эффективным для снижения остаточных напряжений.

Рассматривая полученные ранее результаты, можно считать установленным, что из элементов режима вибрационного нагружения наибольшее влияние на эффективность вибрационной стабилизации оказывает амплитуда циклических напряжений. Изменение частоты нагружения в используемом низкочастотном диапазоне заметного влияния на эффективность вибрационной обработки не оказывает. Нет среди исследователей единого мнения и о критериях для назначения амплитуды создаваемых вибрацией напряже-шш л целесообразной длительности вибрационного воздействия. Отсутствует ясность, каково, влияние на эффективность вибрационного способа механических свойств материала обрабатываемой детали, упрочнения материала при создании остаточных напряжений. Следует также отметить, что в основном исследовали остаточные напряжения, созданные пластическим деформированием малой интенсивности (литейные, сварочные).

Все это позволило сформулировать задачи данной работы, отвечающие поставленной цели.

Задачи работы:

1. Установить вероятную зависимость достижимого уровня снижения остаточных напряжений от механических свойств материала и элементов режима вибрационного нагружения.

2. Установить влияние упруго-пластических свойств материала деталей и методов создания остаточных напряжений на эффективность вибрационной обработки.

3. Определить критерии для назначения безопасного (не снижающего усталостную прочность) режима вибрационного нагружения.

4. Сформулировать условия эффективного применения вибрационной стабилизации.

5. Осуществить внедрение рекомендаций, сформулированных на основе результатов исследований.

Во второй главе изложен теоретический анализ влияния механических свойств материала и элементов режима вибрационного нагружения на эффективность вибрационной стабилизации, основанный на реализации peo-

логических моделях материалов: упруго-пластической без упрочнения и упруго-пластической с линейным упрочнением. В качестве параметров упругого и пластического элементов реологической модели использовали модуль упругости Е, одинаковый для всех элементов и пределы текучести сх , изменяющиеся случайным образом в заданных пределах а/1" , <ТтпЛ\ Для описания процессов, протекающих при вибрационной стабилизации, ограничивались рассмотрением одномерного напряженного состояния и создаваемых при этом нормальных напряжений, т.е. рассмотрением случаев растяжения-сжатия или чистого изгиба.

Общую задачу сформулировали следующим образом: пусть заданы элементы модели материала, остаточные (начальные) напряжения, законы изменения внешней периодической нагрузки, приложенной к элементам модели. Необходимо определить:

1) время или количество циклов нагружения, для которого выполняется условие о(0 = со, где Со - нижняя граница значений остаточных напряжений (достижимый уровень снижения остаточных напряжений);

2) влияние амплитуды внешней нагрузки (постоянной или изменяющейся от цикла к циклу) на достижимый уровень снижения остаточных напряжений при различных уровнях начальных (остаточных) напряжений;

3) зависимость ст0 от параметров модели материала (рассеяния пределов текучести в элементах, среднего значения предела текучести, коэффициента упрочнения материала).

Для равновесного состояния материала, при котором остаточные напряжения ст+ и а' взаимно уравновешены, для них получены аналитические выражения следующего вида:

а" = Ф(5) - 2Ф(5/2) и с+ = Ф(е 0) - Ф(8), где (1)

5 - деформация, соответствующая состоянию материала, при котором макронапряжения равны нулю; во- величина деформации при нагружении;

Ф(5), Ф(8/2), Ф(е0) - операторы решения уравнения

а = Е[Е-1(е-Ь)ДЬ)(Ш] относительно 6, 312, и е0 соответственно. Здесь Ь - безразмерный предел текучести, случайная величина;

ОД - плотность распределения.

Полученные выражения для с и а+ в дальнейшем использовали в качестве исходных при численных методах анализа. Количество элементов модели было принято конечным и равным N. Распределение пределов теку-

о т _£тт= ат

щах

ОтГЗ'

СТ(О)

©

" — = От

шш

О

количество

циклов

N

Рис. 1. Схема моделирования исходных (исследуемых)

остаточных напряжений: | | - ст0+, ИД - Оо".

чести в элементах полагали нормальным. Первым полуциклом нагружения моделировали создание исходных (исследуемых) остаточных напряжений, рис. 1.

Величину исследуемых остаточных напряжений регулировали изменением амплитуды напряжений ст(0) в первом (нулевом) полуцикле.

Амплитуду напряжений (стА) периодической внешней нагрузки задавали или постоянной для всех циклов шш изменяющейся (увеличивая или уменьшая) от цикла к циклу. Кроме того, амплитуду напряжений внешней периодической нагрузки изменяли по гармоническому закону в форме свободных затухающих колебаний - с целью моделирования ударного периодического воздействия на образец и свободных затухающих колебаний образца после каждого удара. Амплитуду напряжений изменяли по следующему закону;

где Од(0) - начальная амплитуда напряжений; С - константа; А - показатель степени; IX - время. Число свободных затухающих колебаний ограничивали величиной (пЬ). Общее количество циклов зависело от "быстроты" стабилизации остаточных напряжений. Среди исследовайных вариантов йз-

сТа=ста(0)/(1+С*ЬЬ)1/а,

(2)

менения внешней периодической нагрузки наибольший интерес представляют варианты 3 и 4, когда амплитуда напряжений сА изменяется согласно равенству (2), а напряжение стА(0) при этом, или увеличивается на заданную величину после (пЬ) циклов затухающих свободных колебаний (вариант 3), или не изменяется, повторяясь после цикла свободных колебаний (вариант 4), рис. 2.

Рис. 2. Изменение амплитуды напряжений СТА, вариант 4.

Результаты расчетов позволили сделать следующие выводы:

1. Для снижения остаточных напряжений наиболее "весомым" является первый полуцикл напряжения в направлении, обратном направлению напряжения <т(0).

2. Снижение, выравнивание остаточных напряжений возможно при условии, если аттах > | Ста +0011 >аТтт. Здесь сгсн - остаточные напряжения. В том случае, когда амплитуда напряжений | стА+ I превышает максимальный предел текучести (сттпвх) в элементах, уровень остаточных напряжений увеличивается или создаются "новые" остаточные напряжения.

3. При увеличении амплитуды напряжений внешней периодической нагрузки (Ста) стабилизация остаточных напряжений (прекращение их изменения) замедляется, но устанавливаются более низкие значения стабилизированных остаточных напряжений.

4. Повышение среднего предела текучести (стт) увеличивает как исходные остаточные напряжения, так и остаточные напряжения стабилизации.

5. Увеличение дисперсии пределов текучести в элементах модели понижает уровень стабилизированных остаточных напряжений, откуда следует, что вибрационная стабилизация будет более эффективной для материалов с большими запасами пластичности.

6. Повышение коэффициента упрочнения (в упруго - пластической модели с линейным упрочнением) повышает уровень стабилизированных остаточных напряжений,. Это позволяет сделать дополнительный вывод о возможно низкой эффективности вибрационной стабилизирующей обработки для материалов с высокими упрочняющимися свойствами.

7. Пластические составляющие деформации элементов моделируют микропластические деформации в материале. Рассеяние энергии в моделируемом материале может быть представлено в форме микропластического внутреннего трения.

Наибольшую практическую значимость, как нам представляется, имеет способ снижения остаточных напряжений, основанный на четвертом варианте нагружения, моделирующем повторяющееся ударное изменение внешней периодической нагрузки.

На основании полученных выводов нами был выполнен патентный поиск по данной теме, поданы заявки на предполагаемые изобретения, получены авторские свидетельства № 1361186 и № 1488318, основанные на использовании способа стабилизации остаточных напряжений по четвертому варианту нагружения.

В третьей главе рассмотрены общие условия проведения опытов и дано обоснование запланированным экспериментам.

В качестве исследуемых были приняты конструкционные материалы различных классов: стали СтЗ, 45, 12Х18Н10Т, алюминиевый сплав Д16, титановый сплав ВТ 1-0, чугун СЧ20. Этот выбор обусловлен необходимостью рассмотреть влияние вибрационного нагружения на остаточное напряженное состояние в материалах с существенно отличающимися упруго-пластическими характеристиками . В качестве заготовок для образцов использовали прутковый прокат и калиброванный листовой материал. Форму и размеры образцов установили, исходя из следующих условий:

- возможность определения остаточных напряжений без операции вырезки наиболее простыми методами;

- градиент остаточных напряжений в сечении должен быть достаточным для обеспечения необходимой точности их измерения;

- возможность создания остаточных напряжений, отвечающих различным технологическим процессам, на имеющемся лабораторном оборудовании;

- изгибная жесткость образцов должна быть такой, чтобы частота собственных колебаний системы вибратор-образец находилась в пределах 80.. ,100 Гц;

- устойчивости образца против закручивания;

- возможность изготовления из исследуемого образца четырех образцов для усталостных испытаний.

С учетом этих требований в основных экспериментах были приняты образцы призматической формы с размерами 420x40x15 мм.

Все образцы подвергали предварительной термообработке для снятия остаточных напряжений, созданных предшествующими операциями и имеющимися в материале в состоянии поставки.

Исследуемые остаточные напряжения создавали различными технологическими операциями: тепловым воздействием и охлаждением в воде; четырехточечным изгибом, обкатыванием. Это обеспечивало различное по интенсивности пластическое деформирование поверхностного слоя. Интенсивность пластической деформации поверхностного слоя определяли по изменению его твердости:

Ену - (Ну-НУ0) / НУ0, - (3)

где Нус, Ну - твердость поверхностного слоя образцов соответственно до и после создания в них остаточных напряжений. Интенсивность деформированного состояния поверхностного слоя образцов, в которых остаточные напряжения создавали изгибом, для сравнения определяли по изменению твердости и микроструктурным методом. Расчеты выполняли на ПЭВМ по разработанной программе.

Режим теплового воздействия для стальных образцов при создании в них остаточных напряжений включал нагрев до 650 °С, выдержки в течение двух часов в печи и охлаждения в воде при 20 °С.

Четырехточечный изгиб осуществляли одновременно четырех образцов в плоскости их наименьшей жесткости в специальном приспособлении. Стрелу прогиба доводили до величины, при которой напряжения на поверх-

ности образца достигали 1,5<у02 , выдерживали в течение 5 минут и производили разгрузку.

Формирование исследуемых остаточных напряжений поверхностным пластическим деформированием производили обкатыванием поверхности с размерами 420x40 мм роликом.

При исследовании влияния вибрационного нагружения на остаточное напряженное состояние образцов использовали метод образцов-свидетелей: изменение уровня остаточных напряжений определяли как разность максимальных значений остаточных напряжений в образцах, обработанных вибрационным нагружением и в образце-свидетеле, не подвергавшемся вибрационной обработке. Эффективность стабилизирующего воздействия вибрационного нагружения определяли по достижимому уровню снижения остаточных напряжений

Дет,- М« Ма.т%, (4)

Мо

где - момент активной составляющей эпюры остаточных напряжений в образце-свидетеле (до виброобработки); М0 - момент активной составляющей эпюры остаточных напряжений в исследуемом образце (после виброобработки). Здесь и далее активной полагали ту составляющую эпюры остаточных напряжений, которая отвечает максимальным напряжениям на поверхности "исследуемого образца о0"1ах и координате У0, рис. 3. При определения остаточных напряжений использовали механический метод Н.Н.Давиденкова. Все экспериментальные данные подвергали метрологической обработке для определения погрешности вычисления остаточных напряжений. Разработана программа, выражающая остаточные напряжения в форме таблицы или графической зависимости с возможностью ее апроксимации гиперболой п-го порядка. Программа также позволяет учесть напряжения, вносимые процессом удаления материала. , ,

Рис. 3. Схема определения момента активной составляющей эпюры остаточных напряжений.

Для повышения эффективное™ вибрационной стабилизации необходима строгая стабилизация заданной угловой скорости вибровозбудителя. Использование в качестве привода электродвигателя постоянного тока без дополнительных стабилизирующих устройств не удовлетворяет этим условиям. В связи с этим, нами была разработана экспериментальная вибрационная установка, привод которой осуществляется от двигателя постоянного тока со стабилизацией угловой скорости дополнительным синхронным двигателем переменного тока.

Для экспериментальной проверки зависимости достижимого при вибрационной обработке снижения остаточных напряжений от температуры, была создана установка, позволяющая производить виброобработку при температуре до 300 "С. С целью экспериментальной проверки влияния вибрационной стабилизации на выносливость деталей, была спроектирована и изготовлена специальная четырехместная установка для испытаний на усталость при плоском консольном изгибе по схеме мягкого нагружения с центробежным (дебалансным) возбудителем.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментального исследования вибрационной стабилизации формы деталей, проверке теоретических выводов.

Исходя из анализа выполненных ранее работ и теоретических исследований установили, что эффективность стабилизирующей обработки повышается с увеличением амплитуды внешних циклических напряжений. Увеличение амплитуды циклических напряжений сопряжено с риском снижения усталостной прочности обрабатываемой детали. Для экспериментальной проверки влияния амплитуды вибрационного нагружения на усталостную прочность и определения безопасного (не снижающего усталостную прочность) режима нагружения проведены сравнительные усталостные испытания одновременно двух групп образцов с одинаковым исходным уровнем остаточных напряжений. Образцы одной группы предварительно подвергали вибрационной обработке, другой - не подвергали. Испытания осуществляли на гладких образцах из стали СтЗ при плоском консольном изгибе по схеме мягкого нагружения. В результате испытаний установлено, что усталостная долговечность образцов, проходивших стабилизирующую виброобработк> при суммарных напряжениях (сумме остаточных напряжений и амплитудных значений циклических) не превышающих предела выносливости, оказании выше, чем у контрольных образцов, в среднем на 11,4 %. Этот результат

объясняем исходя из анализа обобщенной диаграммы многоцикловой усталости. Согласно диаграмме, при суммарных напряжениях и количестве циклов, отвечающих инкубационной области диаграммы, нарушения усталостной прочности не происходит, следовательно, для выбора безопасного режима нагружения , прежде всего необходимо выяснить, не превышают ли напряжения и количество циклов, применяющиеся при вибрационной стабилизации, напряжений и количества циклов, установленных обобщенной диаграммой для инкубационной области.

Экспериментальная проверка зависимости эффективности вибрацион-

Рис. 4. Воздействие вибронагружения на остаточные напряжения, созданные чистым изгибом:

1 - остаточные напряжения до вибронагружения;

2 - остаточные напряжения после вибронагружения.

ной стабилизирующей обработки от способности материала поглощать энергию на микропластических деформациях, возникающих под действием напряжений второго рода, при деформировании всего тела в пределах упругого состояния (от микропластического внутреннего трения) выполнена на образцах из материалов с существенно различающимися вибропоглощающими свойствами: сталей СтЗ, 45, 1X13, 12Х18Н10Т, сплавов Д16, ВТ1-0. Эпюры остаточных напряжений в образцах после отжига, после создания в

образцах-свидетелях исследуемых остаточных напряжений и после вибрационной обработки представлены на рисунке 4.

Анализируя эпюры, нетрудно заключить, что вибрационная стабилизирующая обработка более эффективна для образцов из стали СтЗ - материала с наибольшим для исследуемой группы материалов значением показателя вибропоглощающих свойств (логарифмического декремента колебаний д) и наименее эффективна для образцов1 из сплава ВТ1-0 - материала с наименьшими вибропоглощающими свойствами. Непосредственная графическая зависимость достижимого уровня снижения остаточных напряжений Д<т0 от логарифмического декремента колебаний д представлена на рис. 5.

Аналитическое выражение ДстН^д) можно представить в виде Дсто = 7,86д+0,13. (4.1)

На основании изложенного сделан вывод, что вибрационная стабилизация эффективна для материалов с высокими вибропоглощающими свойствами.

На рис. 5 также представлена зависимость Да0=€(8), которая показывает, что на достижимый уровень снижения остаточных напряжений

Аа0,% 70

60

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 д, %

1-:---;-----!-»

0 4 & 12 16 20 24 28 32 8, % Рис. 5. Влияние вибропоглощающих (логарифмического декремента колебаний д) и пластических (относительной продольной деформации 8) свойств материала на достижимый уровень снижения остаточных напряжений. Материалы: '¿тайн: *СтЗ; Д-1Х13; Ф-45;

12Х18Н10Т; сплавы: ♦ - Д16; V-ВТ1-0.

:Ч00 О

-100 -200 -300

оказывают влияние механические свойства, характеризующие запас пластичности материала.

Экспериментальное определение влияния способа создания остаточных напряжений на эффективность вибрационной стабилизирующей обработки выполняли натэбразцах из сталей СтЗ, 12Х18Н10Т, 45, сплава ВТ 1-0. Исследуемые остаточные напряжения создавали различными технологическими операциями: охлаждением в воде после нагрева и выдержки при 650 °С, чистым изгибом, обкаткой. Это обеспечивало различное по интенсивности пластическое деформирование материалов: максимальное при

обкатке и минимальное при термообработке.

Изменение остаточных напряжений до и после вибрационной обработки (рис. 6) показывает, что вибрационная обработка более эффективна для остаточных напряжений, созданных тепловым воздействием, менее эффективна для остаточных напряжений, созданных изгибом, и практически не эффективна для случаев, когда остаточные напряжения созданы обкаткой. Графическое представление зависимости достижимого уровня снижения уровня остаточных напряжений от способа их создания представлена на рис. 7. Подобная зависимость, очевидно, объясняется накоплением искажений кристаллической решетки, увеличению сопротивления смещению дислокаций по мере увеличения интенсивности пластического деформирования. Таким образом можно заключить, что применение вибрационной обработки целесообразно для деталей, в которых остаточные напряжения созданы пластическим деформированием малой интенсивности.

Рис. 6. Воздействие вибрационного

нагружения на остаточные напряжения, созданные обкаткой, чистым изгибом, термообработкой:

1 - остаточные напряжения до ви-бронагружения;

2 - остаточные напряжения после в и бро нагружения.

интенсивность пластической деформации Ену

Рис. 7. Влияние способа создания остаточных напряжений на достижимый уровень снижения остаточных напряжений Аст0. Материалы: стали: 1 - сталь Ст 3; 2 - 12Х18Н10Т; 3-45; 4 - сплав ВТ1-0.

В пятой главе представлены вибрационная установка с частотнорегу-лируемым электроприводом, устройство и способ, разработанные автором для внедрения вибрационного способа стабилизации формы деталей, приведены результаты внедрения рекомендаций на Улан-Удэнском ордена Трудового Красного Знамени авиационном заводе и на Улан-Удэнском локомоти: во-вагоноремонтном заводе.

На рисунке 8 представлена схема устройства для реализации вибрационного электроимпульсного способа стабилизации формы деталей.

Сущность способа заключается в том, что обрабатываемую деталь 4 располагают свободно на опорных роликах 5 основания 3, в углублении которого расположен индикатор 1 с обмоткой 2. При пропускании импульса тока через индуктор в участке детали, расположенном над индуктором, индуцируются вихревые токи. Взаимодействие магнитных полей индуктора и вихревых токов приводит к возникновению электромагнитного локального бесконтактного удара по участку детали. Деталь отделяется от опорных роликов и участок детали, подвергнувшийся электромагнитному удару, совершает свободные изгибные колебания в процессе которых и снимаются оста-

Рис. 8 Схема устройства для вибрационной электроимпульсной

стабилизации формы деталей:

1 - индуктор;

2 - обмотка индуктора ;

3 - основание;

4 - деталь;

5 - ролики опорные;

6 - привод;

7 - датчики давления;

8 - коммутатор;

9 - генератор импульсов тока;

10 - источник эл. энергии;

11 - пластина;

12 - слой пластины высокопрочный;

13 - слой пластины электропро-

водящий.

точные напряжения. Каждый последующий удар по детали наносится в момент касания детали опорных роликов после очередного подскока, для чего опорные ролики с разных сторон индуктора снабжены датчиками 7, которые через коммутатор 8 запускают генератор импульсов 9. Для обработки всей поверхности детали последнюю перемещают относительно индуктора, для чего часть опорных роликов снабжена приводом 6.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате проведенных исследований, сочетавших теоретические и экспериментальные методы, с использованием материалов, существенно

различающихся по своим физико-механическим свойствам, установлена область, в которой целесообразно применение силового вибрационного натру-жения, как средства снижения технологических остаточных напряжений ъ стабилизации формы детали, определены оптимальные параметры процесса исключающие накапливание усталостных явлений.

2. На основе реологических моделей материала (упруго-пластической без упрочнения и упруго-пластической с линейным упрочнением) и использовании численных методов разработаны программы для оценки изменении остаточных напряжений в зависимости от механических свойств материала и режимов вибрационного нагружения.

3. Из элементов режима вибрационной обработки (амплитуды, частоты и длительности) наибольшее влияние на эффективность вибрационной стабилизирующей обработки оказывает амплитуда внешней циклической нагрузки.

4. С тем, чтобы вибрационная стабилизирующая обработка не сказывалась отрицательно на усталостной прочности деталей, совокупность суммарных напряжений (остаточных и внешних циклических) и количества циклов следует назначать из инкубационной области обобщенной диаграммы многоцикловой усталости.

5. Для обеспечения необходимого значения амплитуды внешней циклической нагрузки частоту нагружения следует поддерживать возможно близкой к собственной частоте обрабатываемой детали.

6. Установлена функциональная зависимость эффективности вибрационной стабилизации от вибропоглощающих свойств материала обрабатываемой детали. Вибрационная обработка более эффективна для деталей, изготовленных из материалов с высокими вибропоглощающими свойствами

7. Выявлена зависимость достижимого уровня снижения остаточных напряжений от свойств материала, характеризующих запас пластичности. Эффективность вибрационной стабилизации повышается с увеличением пластичности материала (величины 5).

8. Эффективность вибрационной стабилизирующей обработки зависит от интенсивности пластического деформирования материала при создании остаточных напряжений. Вибрационная обработка дает существенное снижение остаточных напряжений, созданных малыми пластическими деформациями.

9. Разработана установка для вибрационной стабилизирующей обработки с частотнорегулируемым электроприводом.

10. Предложен способ электроимпульсной вибрационной стабилизирующей обработки и устройство для его осуществления. Новизна способа и устройства подтверждены авторскими свидетельствами.

11. Результаты работы внедрены на двух предприятиях г. Улан-Удэ.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Авторское свидетельство № 1361186, МКИ С2Ш 1/04. "Способ обработки изделий и устройство для его осуществления" (Маловичко М.М., Даукшас К.К.).

2. Авторское свидетельство № 1488318, МКИ С2Ш 1/04. "Устройство для обработки изделий" (Даукшас К.К., Маловичко М.М.).

3. Даукшас К.К. Экспериментальная вибрационная установка для регулирования остаточных напряжений / Межвузовский сборник "Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами". Иркутск, 1978.

4. Даукшас К.К. Стабилизация формы деталей вибрационным воздействием // Тезисы доклада к Межрегиональной научно-технической конференции "Молодежь Восточной Сибири в решении проблем научно-технического прогресса". Иркутск, 1978.

5. Даукшас К.К. Снижение остаточных напряжений в стальных деталях вибрационной обработкой // Тезисы доклада к научно-технической конференции "Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и режущего инструмента технологическими методами". Иркутск, 1979.

6. Даукшас К.К. Снижение коробления деталей вибрационным нагру-жением / Сб. "Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами". Иркутск: ИЛИ, вып. 2, 1980.

7. Промптов А.И., Даукшас К.К. Влияние вибрационного нагружения на остаточные напряжения в связи со свойствами обрабатываемого материала // Тезисы доклада к Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станков". Куйбышев, 1980.

8. Промптов А.И., Даукшас К.К. Влияние стабилизирующей вибрационной обработки на эксплуатационные показатели деталей // Тезисы доклада к Всесоюзной научно-технической конференции "Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами деталей машин". Киев, 1980.

9. Даукшас К.К. О влиянии вибрационного способа стабилизации формы стальных деталей на их выносливость / Сб. "Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами". Иркутск: ИЛИ, вып. 2, 1980.

10. Даукшас К.К. Эффективность вибрационной стабилизации формы деталей и критерии ее оценки // Тезисы доклада к Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение производительности и качества механической обработки на машиностроительных предприятиях Сибири и Дальнего Востока". (Иркутск, 25-27 мая 1983 г.) М., 1983.

И. Промптов А.И., Даукшас К.К. Применение вибрационного нагру-жения для стабилизации формы деталей / Сб. "Динамика, прочность, надежность в машиностроении". Чита, 1984.

12. Даукшас К.К. Способ обработки изделий и устройство для его осуществления И Тезисы доклада к научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс". Ангарск: АТИ, вып. 1,1993.

13. Даукшас К.К. Постановка задачи для теоретического анализа влияния механических свойств материала и элементов режима вибрационного нагружения на достижимый уровень снижения остаточных напряжений // Тезисы доклада к научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс". Ангарск: АТИ, вып. 2,1994.

14. Даукшас К.К. С.В.Подаусов, О.П.Чечюлин, В.Ю.Филипцев Об использовании ПЭВМ для статистической обработки экспериментальных данных и их графическом представлении // Тезисы доклада к научно-технической конференции "Современные технологии и научно- технический прогресс". Ангарск: АТИ, вып. 3, 1995.

15. Даукшас К.К. Мангушев Д.Х. Способ вибрационной электроимпульсной стабилизирующей обработки и устройство для его осуществления // Тезисы доклада к научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс". Ангарск: АТИ, вып. 4,1996.