CC BY
1ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПАРАМЕТР1В 1МПУЛЬСУ ДЕФОРМАЦIЙНОÏ ХВИЛ1 ПРИ ПОВЕРХНЕВО ПЛАСТИЧНОМУ ЗМЩНЕНН1
к.т.н. Костюк С. А., Хмельницький нацгональнийушверситет, Украта к.т.н., доц. КосЮк М. М., Хмельницький нац^ональний ушверситет, Украта к.т.н., доц. ТкачукВ. П.,Хмельницький нащональнийушверситет, Украта к.в.н., доц. Лужанський В. I., Хмельницький нащональний ушверситет, Украта астрант Костюк М. А., Хмельницький нащональний ушверситет, Украта
DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/28022022/7768
ABSTRACT
The article considers the issue of increasing the efficiency of shock energy and recording equipment for the study of the parameters of the deformation wave pulse. The review of the last researches and publications is carried out and perspective directions at designing of the special measuring equipment are established. A method is proposed and an experimental-measuring complex for the study of the momentum parameters in the deformation zone under different initial conditions is developed. The study of the parameters, of the shock pulse and micro hardness, of the strengthened material in the deformation zone using different versions, of the impact systems. It is established that when using a shock system with a step-shaped striker, the shock wave is characterized by a complex shape of the pulse. To assess the reliability of the obtained results, a test problem was solved in the environment of the Abaqus software package. When designing new technological processes of strengthening, the results of experimental studies such as the impact system and the parameters and modes of the processing process are of particular importance. It is established that the best result is shown by shock systems, which allow forming a prolonged shock pulse.
Citation: Kostyuk S. A., Kosiyuk M. M., Tkachuk V. P., Luzhanskiy V. I., Kostyuk M. A. (2022) Research of the Pulse Parameters of a Deformation Wave at Surface-Plastic Strengthening. World Science. 2(74). doi: 10.31435/rsglobal_ws/28022022/7768
Copyright: © 2022 Kostyuk S. A., Kosiyuk M. M., Tkachuk V. P., Luzhanskiy V. I., Kostyuk M. A.
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Вступ. При проектуванш машин ударно! ди для поверхнево-пластичного змщнення важливою характеристикою е енерпя одиничного удару Жуд, величина яко! визначае глибину залягання деформаци та градiент мшротвердосп, а також частка енерги удару, яка витрачаеться на пружно-пластичну деформащю навантажуваного матерiалу в осередку деформаци. Удар розглядаеться у виглядi поширення по елементах ударно! системи плоских акустичних хвиль, як характеризуются законом змши деформацш або сил в чаш, максимальним значенням сил -ампл^удою хвил^ часом ди сил - тривалютю хвит, штенсивнютю та енерпею, що переноситься хвилею. Величина енерги одиничного удару повинна знаходитись в певних межах, так як при малш енерги забезпечуеться початок пластичного деформування мiкрооб'емiв поверхневого шару з малим ступенем змщнення, а при збшьшеш енерги до критично!, вщбуваеться процес перенаклепу (злущування тонких шарiв металу).
Вщомо, що при навантаженш матерiалу ударами з однаковою енерпею при використанш рiзних ударних систем, перенесена енерпя в зону деформащею буде рiзною. Це пов'язано з хвильовими процесами, що протшають в ударнiй системi i залежать вiд геометричних параметрiв елементiв ударно! системи, фiзико-механiчних властивостей !х матерiалiв i швидкостi ствударяння [1].
ARTICLE INFO
Received: 11 January 2022 Accepted: 18 February 2022 Published: 28 February 2022
KEYWORDS
plastic deformation, deformation wave, momentum, energy, parameter, hardening.
Перюд тако! хвилi називають ударним iмпульсом. 1мпульс з певними параметрами, що надходить в осередок деформацп - зону контакту деформуючого тiла (iндентора) з навантажуваним середовищем, i буде визначати ефектившсть динамiчного навантаження в щлому. Для впливу на параметри ударного iмпульсу необхщно мати уяву про його форму, тому розробка рееструючого обладнання для генерування та реестрацл параметрiв iмпульсу е актуальною задачею.
Аналiз останнiх дослiджень i публжацш. На сучасному етапi розвитку науки i технiки широкого застосування набули динамiчнi методи впливу на об'екти дослщжень. Пiд час взаемодн сшвударяемих тiл формуються хвилi деформацн, яю породжують ударнi iмпульси. В залежносп вiд геометричних та акустичних сшввщношень спiвударяемих тiл можуть формуватись ударш iмпульси з рiзними параметрами. Вщомо, що в залежностi вiд параметрiв, ударний iмпульс може виконувати як корисну так i руйнiвну роботу. Дослщженнями хвильових процесiв яю виникають пiд час руйнування гiрських порщ займались [1-3] та iншi.
Вщомий неруйнiвний ударно-iмпульсний акустичний метод дослщження конструкцiй в будiвельнiй механiцi [4]. Суть методу полягае у реестраци параметрiв хвилi стиску, що утворюеться у товщинi матерiалу пiд дiею ударного iмпульсного навантаження. Комплект обладнання складаеться iз сейсмоприймача, генератора iмпульсу ударно! дн та обладнання для обробки \ збереження даних, рис. 1.
Рис. 1. Обладнання для реестрацИ' та обробки експериментальних даних: 1 - генератор iмпульсного навантаження; 2 - сейсмоприймачi; 3 - комплекс з обробки сигналу
B^omí перспективы способи динамiчного змщнення поверхнево-пластичним деформуванням (ППД), зокрема статико^мпульсна обробка (С1О), що дозволяе здiйснювати змiцнення матерiалу в умовах комбшованого статичного i динамiчного силового впливу. Однак, технолопчш можливостi бшьшосп вiдомих способiв ППД в управлшш параметрами якостi поверхневого шару обмежеш через недостатню уяву про переб^ хвильових станiв в ударнiй OTereMi та параметри сформованого iмпульсу .
Анашз способiв i пристро!в для динамiчних i комбiнованих методiв змщнення i3 множини варiацiй виконання ударних систем та застосування деформуючих елеменпв (ДЕ) дозволив виокремити найпоширенiшi варiанти [5, 6], табл. 1.
Таблиця 1. Способи пiдведення енерги в зону деформацп
Cnoci6 пiдведення eHeprií удару
Ударом шструмента
Ударом бойка по шструменту
1нструмент
кулька
бойок
торець шструмента
Схема способу
Ú1
/7/7/7
Особливий iнтерес представляють ударш системи з бойками стушнчато! форми, яю характеризуються вищими показниками використання енергi! удару. Геометричт параметри елементiв ударно! системи (сшввщношення дiаметрiв i довжин бойка та шструмента вiдповiдно) впливають на переб^ хвильових процесiв, якi е маловивченими i потребують подальших дослiджень. Це зумовлюе необхщнють розробки та виготовлення спецiального вимiрювального обладнання для дослщження параметрiв iмпульсу деформацiйно!' хвилi в краг^ деформаци.
Метою роботи е: встановлення параметрiв ударного iмпульсу в залежност вiд початкових умов удару, а також виявлення ефективност використання енерги удару при поверхнево-пластичному змщненш.
Виклад основного матерiалу дослiджень. Для усшшного вирiшення задачi з керування параметрами процесу змщнення необидно знати акустико-динамiчнi характеристики елемеипв ударно! системи й мати певну уяву про хвильовi стани в кратерi деформаци i !х тривалiсть в залежносп вiд початкових умов. Для ударно! системи з елемеипв гладко! цилшдрично! форми задача вирiшуеться вiдомими способами.
При застосувант ударно! системи з бойком стушнчато! форми ударна хвиля характеризуемся складною формою iмпульсу, яка формуеться не лише за рахунок рiзних акустичних властивостей елементiв ударно! системи, а i за рахунок рiзного поля швидкостей.
В наш час даш, що використовуються для керування хвилями деформаци носять розрiзнений характер i враховують окремi фактори, що впливають на характеристики змщненого матерiалу.
Подiбнi данi частiше за все отримують в ходi пробних експериментiв на великогабаритних чи натуральних моделях, створених при виконаннi конкретних проектiв. Володiючи високою точнiстю таю даш залишаються справедливими у вщносно вузьких межах регулювання конструктивних i режимних параметрiв. Саме тому вони не можуть ефективно використовуватись для нових ударних систем та технолопчних процесiв змiцнення на початкових стадiях проектування. Оскiльки саме на початкових етапах здшснюеться вибiр типу конструктивних елемеипв ударно! системи.
Головними труднощами виступають неможливiсть проведення експериментiв в широкому дiапазонi конструктивних i режимних параметрiв на виробничих установках. Виршення задачi значно спрощуеться, якщо застосувати малогабаритне експериментальне обладнання, для якого значно проспше забезпечити структурну змшу моделi. Варто вiдзначити, що згадаш класи експериментальних моделей не замшюють одна одну, а доповнюють. Так при проектуванш операцш змiцнення технолопчних процешв (ТП) на перших етапах необхщш експерименти в широкому дiапазонi геометричних i режимних параметрiв, а на другому бшьш точнi у вузькому дiапазонi.
Модель проведення експериментальних дослщжень повинна вiдображати iнформацiю про початковi умови навантаження та розподш енергi! удару, форму iмпульсу деформацшно! хвилi, параметр пластичного вiдбитка та фiзико-механiчнi властивостi змiцненого шару (твердють, мiцнiсть).
Для дослiджень параметрiв ударного iмпульсу в зонi деформацi! запропоновано методику та вимiрювальний комплекс орипнально! конструкцi! (рис. 2), який складаеться з ударно!, вимiрювально! та рееструючо! систем i дозволяе моделювати процес ударного навантаження при рiзних початкових умовах, та рееструвати параметри ударного iмпульсу в зош деформацi!. Стенд складаеться з копра, рееструючого датчика-зразка (рис. 3) та системи з шдсилення i передачi сигналу на персональний комп'ютер (ПК).
Оцiнка точност отриманих результатiв при визначенi параметрiв ударного iмпульсу здiйснювалась шляхом порiвняння результатiв отриманих в ходi комп'ютерного моделювання процесу змiцнення.
Пiд час експерименту використовувався iнструмент в торець якого вмонтовано кульку ^ = 1,5 мм та & = 2,35 мм виготовлену зi стал ШХ 15 (61 HRC, Яа = 0,1 мкм). Величина енерги одиничного удару та статичного навантаження бойка маси Ш (загартованого до твердосп 45 HRC та шлiфованого з параметром шорсткостi Яа = 0,32 мкм) задавалась генератором мехашчних iмпульсiв. Для дослiджень виготовлялись спещальш зразки (зi сталi 40Х нормалiзовано! та шлiфованi до Яа = 1,25 мкм) з можливютю встановлення датчика для реестраци параметрiв iмпульсу, який виконуе функцiю перетворення мехашчно! енергi! в електричний сигнал.
Рис. 2. Експериментально-вим!рювальний комплекс 1 - ударна система; 2 - наковальня; 3 - датчик;4 - блок тдсилення та обробки сигналу; 5 -
персональний комп'ютер
Смшсний електретний елемент моделi АСМ9767Р з вмонтованим тдсилювачем сигналу (з шириною смуги пропускання частот 20 - 20000 Гц) встановлювався безпосередньо на об'ект дослщжень. Загальний вигляд вимiрювального датчика вщображено на рис. 3.
Дослщження впливу параметрiв удару на процес змщнення проводились в три етапи (без статичного навантаження, з статичним навантаженням шструмента з статичним
навантаженням бойка та iнструмента , ) при постiйнiй енергп удару ^ д.
Схеми навантажень бойка та шструмента при експериментальних дослщженнях вiдображенi на рис. 4.
Рис. 3. Загальний вигляд датчика для вим1рювання ударного iмпульсу
а)
б)
в)
Рис. 4. Схеми навантажень бойка та инструмента: а - без статичного навантаження; б - з статичним навантаженням шструмента; в - з статичним навантаженням бойка та ¡нструмента
Дослщження проводились в три етапи (без статичного навантаження, з статичним навантаженням шструмента ¥стг = 40 Н, з статичним навантаженням бойка та шструмента ¥ст\ =150 Н, Естг = 40 Н), при постшнш енерги удару ^д=2,35Дж. Матерiал зразка сталь 40Х, нормалiзована до твердосп НУ100 = 3\3.
Результати експериментальних дослщжень наведет в табл. 2.
Експериментальш графши ударного iмпульсу переносились в координати тарувального графша, тсля чого проводилась оцшка параметрiв ударного iмпульсу.
На рис. 5 наведено графш для схеми 2 (табл.2).
Таблиця 2. Результати експериментальних дослщжень
Початков1 умови
Результати експериментальних досл1джень
При статичному навантаженш iнструмента амплiтуда ударного iмпульсу зросла, а енергiя в зош деформацi! досягла значення Ж = 1,77 Дж. Також збiльшилась тривалють ударного iмпульсу. Спостерiгаеться пiдвищення мшротвердосп та дiаметра пластичного вiдбитка.
Аналiз результатiв експериментальних дослiджень геометричних параметрiв пластичного вiдбитка показав, що сприятливi умови передачi енергi! удару (Жуд = 1 - 5 Дж) через шструмент в заготовку створюються при статичному навантаженш шструмента ¥стг = 20-60 Н. Подальше збшьшення величини статичного навантаження в меншш мiрi впливае на процес передачi енергi!.
Пiд час проведення експеримеш!в було помiчено, що в момент удару бойок ударним торцем досягав вшьного торця iнструмента i шсля зiткнення змiнював напрямок вектора швидкосп руху на протилежний вiдскакуючи на деяку висоту. Даний факт свщчить про неповне використання енергi! удару так як в момент вщскоку бойок володiе деякою частиною енерги, яка пiсля роз'еднання ударних торщв не приймае участi в процеш хвильового деформування i вiльно затухае в ньому. Це шдтверджуеться експериментальними графiками
форми iмпульсу. З графтв видно, що сили головного ударного iмпульсу миттево наростають та мають малу тривалiсть, а форма ударного iмпульсу шпилеподiбна (табл. 2, схема 1, 2). Пюля удару бойок тд впливом вщбито! хвилi пiдноситься на деяку висоту та здшснюе наступний удар з меншою енерпею, теля чого спостерпаеться повне затухания ударно! хвшп.
J- . -
£
::
fe
1
"Ji-
- -
:: к.
\ \ Г| 477 Еж
\\
\\
\\
Л
W А, l-l^ 1 \
0 - Mill [[м wo Mil [III 200 1 1 1 1 1 у V К1 [III т 1 1 ill t МКС --
30
i5
60
75
90
L ', MM
Рис. 5. Графы ударного 7мпульсу для умов: Жуд = 2,35 Дж; Fстl = 40 Н; R1 = 1,5 мм В зв'язку з цим виникае актуальне питання тдвищення коефщента використання енерги та розширення технолопчних можливостей ППД. Для вирiшення дано! задачi в роботi запропоновано нове рiшення яке дозволяе збiльшити активний час удару та запобпае роз'еднанню ударних торщв бойка, та iнструмента i сприяе бiльш повному використанню енергi! удару за рахунок статичного навантаження бойка (табл. 2, схема 3) [7].
Оптимальш значення статичного навантаження для бойка стушнчато! форми, масою т = 0.35 кг визначались теоретично в залежносп вiд величини енерги удару (^д = \ - 5 Дж), перевiрялись експериментально i лежать в межах ¥ст\ = 80 - 300 Н.
В результат дослщження ударно! системи з стушнчатим бойком (при статико-iмпульсному навантаженнi) побудовано графiк ударного iмпульсу, рис. 6.
Рис. 6. Графы ударного 7мпульсу для схеми 3 (табл.2)
За тако! схеми навантаження тривалють ударного iмпульсу та ампттуда зростають. В ударнiй системi формуеться пролонгований ударний iмпульс, який складаеться з основно! та додатково! (хвостово!) частини. Така форма iмпульсу формуеться за рахунок рекуперацi! вщбитих хвиль, геометричних спiввiдношень елементiв ударно! системи (зокрема стушнчасто! форми бойка при сшввщношенш довжин iнструмента i бойка, як 1/3), а також оптимального статичного навантаження бойка та шструмента.
Дослщним шляхом встановлено вплив параметрiв статичного навантаження на змшу мiкротвердостi. Результати експериментальних дослiджень зведеш в табл. 2 i вщповщають середнiм значенням за результатами трьох вимiрювань.
По отриманим експериментальним даним побудоваш дiаграми якi вiдображають вплив статичного навантаження бойка та шструмента на мшротвердють змщненого шару зразка, рис. 7.
450
Статичне навантаження Fcm. H
Рис. 7. Граф1чне в1дображення вплыву статичного навантаження бойка та ¡нструмента на зм1ну
мтротвердост1 поверхневого шару
AHari3 отриманих результат показав, що схема з використанням статичного навантаження бойка та шструмента при однаковш енерги удару забезпечуе пiдвищення мiкротвердостi до 20% у порiвнянi з трaдицiйною схемою обробки (без статичного навантаження), що вказуе на зростання коефщента використання енерги удару. Встановлено, що кращий результат коефiцieнтa корисно! ди системи (п = 83%) зaфiксовaно для схеми 3, а найменше значення вiдповiдae схемi 1 (п = 74%).
Висновки. Розглянуто шляхи тдвищення ефективносп використання енерги удару деформацшно! хвилi при поверхнево-пластичному змiцненi. Розроблено експериментально-вимiрювaльний комплекс для дослщжень пaрaметрiв iмпульсу деформацшно! хвилi (в залежносп вiд початкових умов).
За результатами дослщжень виявлено основнi параметри статико^мпульсного змiцнення та встановлено !х вплив на величину мiкротвердостi змщнено! поверхнi. Проведено дослiдження пaрaметрiв ударного iмпульсу в зонi деформаци при рiзних схемах навантаження та пaрaметрiв мiкротвердостi. Кращий результат (п = 83%) забезпечуе схема з статичним навантаженням iнструментa та комбiновaним навантаженням стушнчатого бойка при наступних режимах обробки: Wyd = 2,35 Дж; Ri = 1,5 мм; статичне навантаження бойка Feml = 150 Н; статичне навантаження шструмента Fern = 40 Н. При сшввщношенш довжин шструмента i бойка, як 1/3 тривалють ударного iмпульсу та ампттуда зростають. За таких умов в ударнш системi формуеться пролонгований ударний iмпульс деформацшно! хвит, який складаеться з основно! та додатково! (хвостово!) частини.
Подaльшi дослщження будуть спрямовaнi на виявлення зaкономiрностей змiни пaрaметрiв iмпульсу деформацшно! хвилi в зaлежностi вiд геометричних та акустичних пaрaметрiв елементiв ударно! системи. Отримаш результати можуть використовуватись при бшолярному стaтико-iмпульсному змiцненнi зовнiшнiх поверхонь деталей машин.
Л1ТЕРАТУРА
1. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э., Невенчаный Ю.В. Расчет динамического внедрения инструмента в обрабатываемую среду (препринт). Фрунзе: Илим, 1980. 44 с.
2. Еремьянц В.Э. Влияние формы ударного импульса на процесс взаимодействия инструмента с обрабатываемой средой. Фрунзе: Илим, 1981. 59с.
3. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э., Мартыненко Л.М. Расчет ударных систем с неторцевым соударением элементов. Фрунзе: Илим, 1979. 109 с.
4. Кунщиков Б.К., Кунщикова М.К. Общий курс геофизических методов разведки. Москва: Недра, 1996. 430с.
5. Костюк С.А. Технолопчне забезпечення тдвищення працездатносп пальщв сферичних шаршр1в статикочмпульсною обробкою: дис. к-та тех. наук: 05.02.08/ Тернопшьський нац. техн. ушверситет 1м. Пулюя. Тернотль, 2021. 236 с. Retrieved from http://elartu.tntu.edu.Ua/bitstream/lib/35992/5/dis.pdf
6. Энгельбрехт Ю.А., Нигул У.К. Нелинейные волны деформации. Москва: Наука, 1981. 256 с.
7. Костюк С.А., Косшк М.М. Шдвищення ефективносп використання енерги удару при статико-1мпульсному змщненш поверхневим пластичним деформуванням. В1сник Хмельницького нацюнального утверситету. Техтчт науки. Хмельницький, 2018. № 4. С. 48-56.
