CC BY
36
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.941.01
Кургузов С.А., Сидоренко В.В., Волков А.А., Кургузов В.А.
ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТИ ЗАКАЛЕННОГО СТАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВЫГЛАЖИВАНИИ
Выглаживание, как вариант поверхностного пластического деформирования (ППД) рабочих поверхностей различного инструмента, позволяет повысить его износостойкость за счет изменения напряженно-деформированного состояния поверхности, в частности формирования сжимающих остаточных напряжений
[1]. Данный способ обработки технологически прост, не требует дорогого оборудования и инструмента и позволяет значительно повысить работоспособность продукции. Для назначения оптимальных режимов при выглаживании необходимо установить математическую зависимость влияния различных технологических факторов процесса на формируемые в поверхностном слое обрабатываемого инструмента остаточные напряжения.
Одним из путей решения поставленной задачи является метод теории подобия [2], в частности метод Релея. По сравнению с экспериментальными исследованиями данная методика позволяет разработать функциональную зависимость и распространять выводы на любые другие процессы выглаживания, независимо от уровня и соотношения величин факторов.
В настоящей работе разработана математическая модель формирования остаточных напряжений при выглаживании цилиндрических инструментов из закаленной стали твердосплавным индентором с радиусом
S
ЯЛ
P
Рис. 1. Схема эксперимента
скругления рабочей зоны R (рис. 1). Опытная часть исследований реализована на токарно-винторезном станке. В качестве образцов, моделирующих рабочую поверхность инструмента, использовали закаленные разрезанные кольца прямоугольного поперечного сечения шириной В и радиальной толщиной Н. Индентор закрепляли в оправке, установленной в резцедержателе станка и прижимали к образцу с усилием Р, определяемым по индикатору и тарировочному графику. Индентор перемещали вдоль вращаемых образцов включением продольной подачи S.
При выводе формулы для определения остаточных напряжений в качестве допущения принимаем простейший вид функциональной связи между параметром и факторами в виде степенного одночлена.
На основании анализа схемы обработки определяем факторы и параметры с указанием их размерности (в скобках) в выбранной системе единиц.
Выбираем взаимонезависимые единицы измерения: длина, м - метр; сила, Н - Ньютон; время, с -секунда.
В качестве искомого параметра принимаем:
аост - остаточные напряжения, Па (м-2 Н1 с0),
а в качестве факторов, влияющих на него, выбираем:
1) S - продольная подача инструмента, мм/об [м1 Н° c0];
2) V - линейная скорость вращения образца, м/с [м1 Н° c-1 ];
3) Р - усилие на контакте индентора и образца, Н [м0 Н1 c0];
4) R - радиус скругления индентора, мм [м1 Н° c0];
5) од - предел прочности, Па (м-2 Н1 с0).
С учетом нашего предположения, что данная зависимость описывается простейшим вариантом - степенным одночленом, получаем
о0СТ = as“WrV, (1)
где А - неизвестный коэффициент; а,Р, у,8 , <р - неизвестные показатели степени. Согласно принципу Фурье, размерность правой и левой частей одинакова. Тогда получаем
[м-2H1 с°]=
=[м1H c0]a[M1H) с-1 ]р [mV с0]7 [mV с0]5 [м V с0]ф. (2)
52
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Формирование остаточных напряжений в поверхности...
Кургузое С.А., Сидоренко В.В., Волков А.А., Кургузое ВА.
Сравнивая показатели степени при каждой единице измерений, сформируем систему уравнений
м: -2= а+р + 5-2ф
H: 1 = у + ф
с :0 = -р
Решая систему уравнений, определим неизвестные: Р = 0,ф=1 — у , а =-8 — 2у.
Подставим все найденные значения в (1)
a AS(-*-2y)V 0PR Vr
E- модуль Юнга, Н/м2; Jx - осевой момент инерции поперечного сечения заготовки кольца, м4.
J =
BH_
12
(7)
где B - осевая высота кольца, м; H - радиальная толщина кольца, м.
Из (6) выражаем неизвестную величину q и получим
8V_EJ
q = ■
i4
(8)
ИЛИ
= A -a„ - I —
V
P
V
в
■ S2
(3)
(4)
В этом уравнении, описывающем остаточные напряжения, содержатся три неизвестных: коэффициент А и показатели степени 5 и у. Для их определения прологарифмируем предыдущее уравнение
lg о ос= lg A + lg а,
Условная, с учётом величины замка, длина окружности кольца до обработки равна lo=nD, а после обработки li=rc(D-AD), где D - наружный диаметр кольца.
Исждя из этого изменение величины размера замка Аз можно записать в виде
Аз = nD - n(D - AD),
где AD - изменение диаметра кольца после снятия его с оправки.
Отсюда
+5 lg
У lg
P
Vе *
• S2
(5)
АО=Аз / ж.
(9)
Теперь неизвестные вждят в уравнение в виде линейных слагаемых, поэтому для их определения достаточно провести три эксперимента при раз личных значениях факторов.
Для расчета величины остаточных напряжений о0СТ, наведенных в поверхности кольцевого образца, воспользовались методикой вывода формулы на основании схемы напряженно-деформированного состояния (рис. 2) [3].
После ППД обработки расстояние между концами кольца изменится из-за образования остаточных напряжений в его наружном поверхностном слое. Величину остаточных напряжений определим по изменению диаметра кольца.
Для упрощения математических выкладок заменим круговое кольцо прямолинейным брусом длиной, равной длине кольца. Тогда прогиб конца бруса под действием распределенной нагрузки определим по формуле [4]
Поскольку мы заменили криволинейное кольцо прямолинейным брусом, то величина прогиба бруса V будет соответствовать изменению диаметра кольца AD.
V
Рис. 2. Схема напряженно-деформированного состояния
V =
ql4
8EJ.
(6)
где Vmax - максимальный прогиб на конце бруса, м; q - распределённая нагрузка, Н/м; l - длина бруса, м;
-Р 500, S 0,11, R 2,4 -Р 500, S 0,21, R 2,4 -Р 300, S 0,07, R 0,7 - необработанное
Глубина наклепа, мм
Рис. 3. График зависимости Al = f(h)
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
53
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
После обработки на поверхности образуются остаточные напряжения. Принимаем допущение, что эпюра их распределения по сечению кольца треугольная (рис. 2, б) и состоит из напряжений остаточных (стост) и уравновешивающих (стк) [5].
Уравнение моментов относительно нейтральной линии для грузовых площадок будет иметь вид
M
3 6
h)2
= 0.
(10)
Из (6), (7) и (10) получаем
ст. h2
(H - h)2 2
(11)
где h - глубина распространения остаточных напряжений, мм.
Из уравнения (6)
с (H - h)2
^ _ max v
ОСГ /-4 7 2
2h2
(12)
причем omax определяем по формуле [3]
_ 24 ADEJx
°max ~ 12BH2 '
(13)
Подставляя в формулу (12) значения из (13), (7), а вместо l - значение, равное 0,5’kD, получаем окончательную формулу для пересчёта изменения величины размера замка в величину оста-
♦ Р = 300 Н, R = 2 ММ -■-Р = 400 Н, R = 2 мм —д— р = 500 Н, R = 2 мм
Подача, мм/об
Рис. 4. Влияние подачи на величину остаточных напряжений
Усилие на контакте, Н
Рис. 5. Влияние усилия на контакте на величину остаточных напряжений
—Р = 300 Н, S = 0,11 мм/об ■ Р = 300 Н, S = 0,2 мм/об —Ъ^Р = 300 Н, S = 0,3 мм/об
Радиус скругления, мм
Рис. 6. Влияние усилия на контакте на величину остаточных напряжений
точныхнапряжении ст0СТ
а
ост
4MEH (H - h )2 %3 D2 h2
, (14)
где А/ - изменение величины зазора между концами кольца-образца после обработки, м; H-радиальная толщина кольца, м; E - модуль Юнга, МПа; D - наружный диаметр кольца, м; h -глубина распространения оста-точныхнапряжений, м.
Данная формула позволяет по известным деформации кольцевого образца и глубине залегания остаточных напряжений определить их величину.
Для определения неизвестных А, у и 5 (ф-лы (4), (5)) были проведены опыты по выглаживанию кольцевых образцов, изготовленных из закаленной до твердости HRC 55-59 стали 65Г. В проводимых опытах варьировали скорость перемещения инденто-ра - подачу S. Глубину залегания остаточных напряжений определяли путем сошлифовывания поверхностного обработанною слоя до тех пор, пока величина зазора между концами кольца не изменится до исходного состояния. Для оценки влияния шлифования на изменение остаточных напряжений также обрабатывали невыглаженные образцы. Анализ графиков показал, что влияние шлифования незначительно и в последующих расчетах его не учитывали (рис. 3).
Данные эксперимента, приведенные на графике (см. рис. 3) позволили рассчитать величину остаточных напряжений о0СГ в
54
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Формирование остаточных напряжений в поверхности...
Кургузое С.А., Сидоренко В.В., Волков А.А., Кургузое ВА.
поверхностном слое образца (14).
Подставив полученные данные в формулу (5), составив систему из трех уравнений и решив её, определили значения неизвестных А, у и 5:
А = 0,661, у = 0,048,
8 = 0,061.
Подставив найденные значения А, у и 5 в формулу (4), получим окончательный её вид
с
ост
0,661 'Од
R Г61 ( P 'j
S ) U В • S2 )
(15)
Данная формула позволяет определять величину остаточных напряжений в металле обработанной поверхности при выглаживании деталей и инструмента, изготовленных из закаленных сталей.
По результатам расчетов построили графики за-
Список литературы
1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностоение, 1987. 328 с.
2. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. 3-е изд. М.: Наука, 1975. 435 с.
3. Методика определения величины остаточных напряжений после токарной обработки /Кургузов С.А., Сафиул-лина Г.М., Кургузов А.С., Петрожицкая Н.В. // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Сб. науч. трудов. Магнитогорск: МГТУ, 2004. С. 56-60.
4. Анурьев В.И. Справочник конструкгора-машинострои-теля: В 3-х т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1980.
5. Зайдес С.А.Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1992.
висимости остаточных напряжений, варьируя радиус скругления рабочей части инструмента R, величину подачи S и усилие на контакте P (рис. 4-6).
Анализ графиков (см. рис. 4-6) показывает, что остаточные напряжения, вызванные выглаживанием, обратно пропорциональны величине подачи и прямо пропорциональны усилию прижатия индентора к поверхности обрабатываемого инструмента и радиусу скругления этого индентора.
Таким образом, в работе с помощью размерного анализа определена зависимость влияния рассматриваемых факторов выглаживания на формирование остаточных напряжений в поверхности цилиндрического инструмента. Данные зависимости позволяют определить уровень оптимальных технологических параметров процесса выглаживания, а также определить их критические значения, которые могут привести к повреждению обрабатываемой поверхности инструмента.
List of literature
1. Odintsov L.G. Part hardening and dressing through the surface-plastic deformation: Reference book. M.: Mechanical engineering, 1987. 328 p.
2. Sedov L.I. Similarity and dimension methods in mechanics. 3d edition. M.: Science, 1975. 435 p.
3. Methods of residual tension parameters after the turn process / Kurguzov S.A., Safiullina G.M., Kurguzov A.S., Petozhinskaya N.V. // Modern ways of construction and technology in the metallurgical engineering: Collection of works. Magnitogorsk: MSTU, 2004. P. 56-60.
4. Anuryev V.I. Reference book for designer-constructor: 3 volumes. P. I. M.: Mechanical engineering, 1980.
5. Zaydes S.A. Residual tension and quality of calibrated metal. Irkutsk: Edition of Irkutsk University, 1992.
УДК 621.921-868 Сергеев C.B., Некрутов В.Г.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕЗРАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В СВОБОДНЫХ АБРАЗИВНЫХ СРЕДАХ*
Одной из основных задач промышленности является широкое развитие техники и технологии, обеспечивающих высокую производительность и качество изделий. Поэтому в науке и промышленности ведутся широкие исследования с целью совершенствования существующих методов обработки, изыскиваются и разрабатываются новые высокопроизводительные технологические процессы формообразования и финишной обработки деталей.
В машиностроении распространена безразмерная обработка (снятие заусенцев, облоя, полирования поверхности и т.д.), осуществляемая в большей части в
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 07-01-96052-р_урал_а и № 08-08-00517-а).
механических устройствах, основанных на методах обработки свободными абразивами, в которых взаимодействие деталей и абразива осуществляется со скольжением , с соударением и направленным потоком [1].
Виброабразивная обработка является наиболее перспективным и производительным методом отде-лочно-зачистной обработки деталей.
Разработка новых технологических процессов обработки деталей в свободных абразивных средах на основе изыскания рациональных законов движения технологической массы загрузки, обеспечивающих минимальную вероятность соударения деталей при одновременной интенсификации процесса обработки, сводится к созданию вибрационных машин, в которых рабочий орган (ротор) совершает вынужденные
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
55
