CC BY
107
кових праць (галузеве машинобудування, буд1вництво) / Пол-тавський нацюнальний техн1чний ун1верситет 1мен1 Юр1я Кондратюка. Т.1. Полтава: ПолтНТУ, 2009. Вып. 3(25). С.79-89.
8. Упырь Р.Ю. Динамика механических колебательных систем с учетом пространственных форм соединений элементарных звеньев: дис. ... канд.техн.наук. Иркутск: ИрГУПС, 2009. 185 с.
9. Дружинский И.А. Механические цепи. М.: Машинострое-
ние. 1977. 224 с.
10. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. Т.2: Динамика. М.: Наука, 1980. 640 с.
11. Елисеев С.В., Белокобыльский С.В., Ситов И.С. Меха-тронные подходы к математическому моделированию в механических колебательных системах // Методы. Системы. Технологии. Братск: БрГУ, 2010. Вып. 4 (8). С. 9-14.
УДК 621.771.251.073
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
Л.Г.Климова1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены закономерности формирования остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании. Дан анализ эпюр остаточных напряжений после различных методов обработки. Показаны ограничения локальных методов деформации при обработке маложестких изделий: геометрической точности, качества поверхности, производительности процесса. Ил. 7. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: остаточные напряжения; поверхностное пластическое деформирование; методы упрочнения; геометрия поверхности.
FORMATION OF TECHNOLOGICAL RESIDUAL STRESSES DURING SURFACE PLASTIC DEFORMATION L.G. Klimova
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article examines the regularities of residual stresses formation during surface plastic deformation. It provides the analysis of residual stresses plots after different treatment methods. The author demonstrates the limitations of local deformation methods when machining low-rigid products: geometric accuracy, surface quality, process performance. 7 figures. 8 sources.
Key words: residual stresses; surface plastic deformation; strengthening methods; surface geometry.
Практически все операции технологических процессов изготовления деталей машин связаны с формированием напряженного состояния материала. Особое значение при этом имеют остаточные напряжения, которые, в зависимости от вида технологической операции, отличаются величиной и характером распределения в объеме тела.
Технологические остаточные напряжения в некоторых изделиях могут быть полезными при улучшении их эксплуатационных характеристик, например, продление срока службы. Так, наличие больших поверхностных остаточных напряжений сжатия может значительно улучшить характеристики нагруженных деталей, например, сопротивление усталости [1]. С другой стороны, известно немало изделий, в которых наличие характерных для них остаточных напряжений приводит к неожиданному разрушению или искажению формы после обработки резанием [1, 2]. В процессе проектирования и при изготовлении деталей необходимо как можно более полно использовать все положительные стороны последствий технологических остаточных напряжений. Это означает, что статически и циклично нагружаемые детали должны характеризоваться наличием остаточных напряжений именно с
требуемым законом распределения, именно требуемой величины и именно с требуемым распределением в той или иной области.
Среди отделочно-упрочняющих операций технологического процесса изготовление деталей машин широкое распространение получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Обычно ППД используют для упрочнения периферийного слоя и снижения микронеровностей поверхности. Неизбежным следствием таких процессов являются технологические остаточные напряжения сжатия, которые в несколько раз повышают усталостную прочность изделий. При наличии концентраторов напряжений роль остаточных напряжений, по сравнению с наклепом материала, становится решающей [2,3].
При определении искажения деталей и элементов конструкций учитываются обычно напряжения от внешних нагрузок и характеристики прочности используемого материала. Остаточные напряжения при этом игнорируются. Однако локальные напряжения в изделиях - это всегда сумма остаточных напряжений и напряжений, возникающих в результате действия внешних сил и моментов.
Для полной оценки поведения статически нагру-
1 Климова Лариса Генриховна, доцент кафедры начертательной геометрии и технического черчения, тел.:(3952) 405152. Klimova Larisa, Associate Professor of the Department of Descriptive Geometry and Technical Drawing, tel.: (3952) 405152.
женных изделий при наличии остаточных напряжений, необходимо иметь исчерпывающую информацию, как о состоянии остаточных напряжений, так и о состоянии напряжений, возникающих в результате внешнего воздействия. Если основные оси обоих состояний напряжений совпадают, то общие компоненты напряжений могут рассматриваться в любой точке как сумма компонентов нагрузочного и остаточного напряжений. Таким образом, если возникает трехосное напряженное состояние, то эквивалентное напряжение q ,
определяемое в соответствии с гипотезой разрушения, составит
q(d+dxQ+Q)i+[ Q+Q)-d+Q)i+[Q +0)-0+q)J >
где ст^офо, - осевые, тангенциальные, радиаль-
o o o
ные напряжения от нагрузки;Q zQ r- осевые,
тангенциальные, радиальные остаточные напряжения.
В данном случае пластическая деформация будет иметь место в точке детали, в которой максимальное эквивалентное напряжение Qэmax в первую очередь
достигает предела текучести Qт , т.е. Qэmax ~°т
Операцией, предшествующей поверхностному пластическому деформированию, является чаще всего механическая обработка (точение, шлифование, фрезерование), которая, как правило, вызывает появление в тонком поверхностном слое значительных остаточных напряжений. Основной особенностью этих напряжений является малая глубина их действия (десятые доли миллиметра). Напряжение в деталях от механических операций не оказывает существенного влияния на остаточные напряжения, поскольку глубина пластически деформированного слоя при операциях ППД обычно значительно превосходит глубину распространения остаточных напряжений от обработки резанием [5].
Рассмотрим основные закономерности формирования остаточных напряжений при ППД. Эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из стали 45 с ферритно-перлитной структурой показывают рост абсолютного значения и глубины залегания остаточных напряжений (рис.1). Максимальная остаточная напряженность обнаружена у образцов, обкатанных с силой 200 кгс (кривая 3). Такому давлению соответствует максимальная твердость и близкая к минимальной шероховатость поверхности. При силе 300 кгс (кривая 4) величина напряжений сжатия у поверхности снижается, а их максимум оказывается сдвинутым в глубину.
Приложение равных нормальных сил вызывает неодинаковое напряженное состояние у разных сталей. При одинаковых силах максимальные напряжения сжатия - у образцов из стали 20, а глубина их залегания больше по сравнению с напряжениями сжатия у образцов из стали У8 и 14Х2Н3МА [6]. Объясняется это различными свойствами сталей и разницей удельных давлений и контактных площадок при одних и тех
же нормальных силах. Таким образом, различные распределения остаточных напряжений по сечению образца существенно зависят от свойств материала детали.
оО
МПа
200
-200
-400
-600
3 4
г
1,0
2,0 h,MM
Рис. 1. Распределение тангенциальных остаточ-
- ^о
ных напряжении Гт в поверхностном слое изделий из стали 45 после обкатывания с силой: 1-0,5 кН; 2-1кН; 3-2 кН; 4-3 кН; диаметр шара 10 мм [6]
Результаты исследования влияния скорости обработки (рис. 2) убеждают, что применение высоких скоростей не всегда целесообразно. Изменение скорости обкатывания образцов из стали 12Х18Н9Т с 40 до 120 м/мин не только понизило сжимающие остаточные напряжения, но и привело к формированию в тонком верхнем слое растягивающих остаточных тангенциальных напряжений. Снижение напряжений после обкатывания и выглаживания с высокими скоростями установлено у образцов и из других марок сталей. Одной из основных причин такого явления следует считать значительное повышение температуры очага деформации при обкатывании с высокой скоростью.
оО
200
, МПа
-200
-400
1 2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 h,MM
Рис. 2. Эпюры остаточных напряжений в образцах из стали 12Х18Н9Т, обкатанных шаром со скоростью 1 - 40м/мин 2 - 120м/мин; диаметр шара 5мм, Рн=0,5 кН [6]
0
0
0
Глубина залегания остаточных напряжений во всех случаях превышает толщину наклепанного слоя и сходится с ним в соотношении 1,1-1,3 [6]. Ее можно регулировать изменением давления в контакте и размером деформирующего инструмента.
На рис. 3 показано распределение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое заготовки из жаропрочного сплава на никелевой основе ХН60ВТ в исходном состоянии после ее обработки микрошариком диаметром 0,15 мм из стали ШХ15. Кривая зависимость остаточных напряжений от глубины поверхностного слоя имеет экстремум на некотором расстоянии от поверхности. Установлено, что с уменьшением диаметров микрошариков экстремум напряжений смещается к поверхности [7].
МПа
0,05
0,10
Ь, мм
Рис. 3. Распределение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое изделия из сплава ХН60ВТ после обработки микрошариками [7]
следствием более интенсивной деформации, происходящей при выглаживании в очаге деформации меньшего объема. Причем максимум у оказался
смещенным в глубину слоя материала.
Одним из наиболее важных технологических способов получения остаточных нормальных напряжений сжатия на поверхности и под поверхностью деталей является дробеструйная обработка, представляющая собой бомбардировку поверхности материала стальной дробью, стеклянными или керамическими шарами, движущимися с высокой скоростью. В большинстве случаев дробеструйная обработка вызывает остаточные напряжения, которые схематически изображены на рис. 6. В этом процессе высокая скорость обработки вызывает локальное пластическое течение на поверхности и она расширяется относительно сердцевины. Сердцевина оказывает сжимающее воздействие на поверхность, что приводит, в конечном итоге, к возникновению локальных сжимающих относительных напряжений.
У°т
120 60 0 -60 -120 -180 -240
МПа
✓—/ \
Л \
V/ От Ог
0,25
0,50
0,75
гЖ
При ротационной обработке деталей с увеличением остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое глубина распространения их по сечению уменьшается. При этом она превышает (иногда в 1,5-2 раза) глубину наклепанного при прокатке слоя металла, имеющего повышенную твердость [8].
Степень упрочнения, близкая к максимальной, достигается уже при первом проходе. Второй и третий проходы ролика лишь несколько повышают остаточные сжимающие напряжения, возникающие в результате первого прохода, а дальнейшее деформирование поверхностного слоя металла дополнительными переходами ролика увеличивает глубину распространения остаточных напряжений, но ведет к снижению их величины. Глубина наклепанного слоя остается при этом постоянной.
С увеличением усилия накатки растет интенсивность наклепа металла, возникает условие для перенаклепа и связанного с ним разрушения поверхностных слоев. Поэтому в тех случаях, когда основу повышения усталостной прочности составляют остаточные напряжения, применять высокие усилия накатки нецелесообразно [8].
После алмазного выглаживания стали Р18 во всех случаях максимум напряжений оказался выше, чем после обкатывания шаром (рис. 5). Это является
Рис. 4. Эпюры остаточных напряжений после обработки накаткой вагонной оси [8]
У
200 0 -200 -400 -600
°
т , МПа
2 3
__г _____'
0,15
0,30
Ь,мм
Рис. 5. Распределение тангенциальных остаточных напряжений в стали Р18 после алмазного выглаживания: 1-Р=50 Н [6]; 2-Р=100 Н; 3-Р=200 Н [6]
На рис. 7 представлены графики распределения осевых и тангенциальных остаточных напряжений при обкатывании шаром (рис. 7, а) и алмазном выглаживании (рис. 7, б) [6].
0
0
0
МПа
-200
-400
-600
-800
-1000
0,2
0,4
И, мм
Рис. 6. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое закаленной стальной детали при дробеструйной обработке [6]
Сравнивая между собой тангенциальные и осевые остаточные напряжения при ППД (рис. 7), можно отметить, что при некоторых видах упрочнения, например, при алмазном выглаживании, они близки по абсолютному значению, а после обкатывания шаром осевые остаточные напряжения почти в 2 раза превышают тангенциальные. Распределение осевых остаточных напряжений по глубине, в отличие от тангенциальных, характеризуется более плавными кривыми. Характер распределения технологических остаточных напряжений зависит от неравномерности силовых и температурных воздействий.
В некоторых упрочняющих процессах при интенсивных режимах обработки происходит высокий нагрев наиболее деформированного слоя, что вызывает термопластическую деформацию. Это в свою очередь приводит к резкому спаду остаточных напряжений сжатия у поверхности детали. В некоторых случаях ППД спад остаточных напряжений в поверхностных слоях происходит при формировании умеренных тем-
а)
Г
о
о , МПа
200
-200
-400
-600
-800
-1000
Г
о
т , МПа
200
-200
-400
-600
■в»
У
\ и. <2 3
<У
О 0,2 0,4 0,6 0,8 мм
О 0,2 0,4 0,6 0,8 Ь, мм
Обкатывание шаром с силой: 1 - 250 Н; 2 - 500 Н; 3 - 750 Н
б)
Г
о
о , МПа
-200
-400
-600
-800
1 у/ г
3
Г
-200
-400
-600
-800
о
т , МПа
0,15
Ь, ММ 0 0,15
Алмазное выглаживание: 1 -50 Н; 2-100 Н; 3 -200 Н
И, мм
Рис. 7. Распределение осевых Г(0° и тангенциальных остаточных Г<° напряжений при обкатывании шаром (а) и
алмазном выглаживании (б)
0
0
0
0
0
0
пературных полей в зоне деформации. В этом случае можно рассмотреть механику структурного искажения упрочненного слоя. При силовом воздействии деформирующего инструмента сопротивления пластическому деформированию внешнего слоя и глубинного будут отличаться. Степень свободы у зерен, лежащих на поверхности, выше, чем у нижележащих, находящихся на глубине. Таким образом, зерна в поверхностных слоях при деформировании получат меньшее искажение, чем в глубинных, следовательно, и остаточные напряжения на поверхности будут ниже, чем в глубине. Анализируя деформацию зерен в тангенциальном и осевом направлениях, можно объяснить причину большего спада у поверхности тангенциальных напряжений по сравнению с осевыми.
Для оценки технологических возможностей формирования остаточных напряжений в деталях машин были рассмотрены отделочно-упрочняющие процессы, основанные на поверхностном пластическом деформировании: обработка шариком, роликом, микрошариком, алмазное выглаживание, дробеструйная обработка. Эти способы поверхностного упрочнения можно объединить в группу локальных методов деформирования, т.к. пластическое формоизменение осуществляется передачей усилия через площадку небольших размеров.
Таким образом, характер распределения остаточных напряжений существенно зависит от механических свойств материала, размера деформирующего инструмента и давления в зоне контакта инструмента с изделием. Остаточные напряжения сжатия распределяются обычно в поверхностных слоях относитель-
но не большой глубины, которая для осесимметрич-ных деталей составляет не более (0,05-0,1) радиуса.
Усилие деформирования при ППД является одним из эффективных параметров изменения величины и характера распределения остаточных напряжений. Но именно это усилие при определенных условиях может привести к искривлению изделий, шелушению и отслаиванию поверхностных слоев, т.е. привести к появлению технологического брака.
При относительно высоких скоростях обработки не только снижаются остаточные напряжения сжатия, но и могут формироваться напряжения растяжения в поверхностных слоях. Величина скорости обработки и подачи деформирующего инструмента оказывает основное влияние на производительность процесса упрочнения, Даже при благоприятных условиях обработки скорость процесса не превышает 0,1-0,2 м/мин.
Локальные методы ППД приводят обычно к неуравновешенной системе радиальных (нормальных) сил, действие которых способствует искривлению маложестких деталей. Они не обеспечивают требований микро- и особенно макрогеометрии, так как копируют геометрию поверхности, полученной после предварительной обработки резцом.
Таким образом, анализ локальных методов упрочнения показал, что они имеют ряд существенных ограничений, которые не позволяют использовать их при обработке, например, маложестких длинномерных изделий. Это касается получения основных технологических показателей: геометрической точности, качества поверхности, производительности процесса.
Библиографический список
1. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 239 с.
2. Трофимов В.В., Радсева Е.Н. Об изменении напряжений в упрочненных приповерхностных слоях изделий при усталости // Проблемы прочности. 1979. №7. С. 30-33.
3. Технологические остаточные напряжения/ под ред. А.В.Подзея. М.: Машиностроение, 1973. 47 с.
4. Берштейн Г.Ш., Луковпелова В.Н. Исследование влияния поверхностного упрочнения и холодных правок на прочностные и точностные характеристики деталей // Новые способы отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей деталей поверхностным пластическим де-
формированием. М.: Машиностроение, 1973. С. 121-131.
5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974. Ч.1. 472 с.
6. Папшев Д.Д. Отделачно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.
7. Шарипов Б.У. Формирование поверхностного слоя при обработке деталей методами поверхностного пластического деформирования // Вестник машиностроения. 2000. №8. С. 46-48.
8. Шахов В.И., Школьник Л.М. Выбор технологических параметров накатки по остаточным напряжениям // Вестник машиностроения. 1962. №6. С. 60-63.
