Моделирование подготовки поверхности при восстановлении и упрочнении деталей сельхозтехники газопламенным напылением

Коренев В.Н.

УДК 621.99

В.Н. Коренев, кандидат технических наук ФГОУ ВПО Орел гау

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗТЕХНИКИ ГАЗОПЛАМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

Проведены исследования накатывания на резьбах замкового профиля. Разработана методика моделирования процесса методом конечных элементов. Определены силы деформирования, поля напряжений и деформаций в заготовке при накатывании замкового профиля. Установлено, что наиболее рациональными являются значения степени обжатия профиля 1,1_1,5.

Известно [1, 2], что одним из наиболее эффективных способов подготовки поверхностей деталей машин под газопламенное напыление, обеспечивающим значительное повышение прочности сцепления покрытия с подложкой, является накатывание на восстанавливаемой или упрочняемой поверхности заготовки резьб с замковым профилем. Резьба с замковым профилем представляет собой треугольную резьбу, на вершине которой формируются полугрибовидные участки профиля, смещенные попеременно в разные стороны (рис. 1). Этот профиль выполняет роль полуанкерного замка, на который механически прикрепляется напыленный слой.

Восстанавливаемая или упрочняемая поверхность детали предварительно протачивается на токарном станке, затем на ней нарезается «рваная» резьба.

Накатывание замкового профиля производится на предварительно прорезанной резьбе. В качестве инструмента используются резьбонакатные ролики (рис. 2), выполненные в виде цельного диска, правая и левая поверхность которого по краям имеет конические выступы 1 и 2, разделенные сквозными пазами 3 и 4, при этом каждый выступ правой 1 и левой 2 поверхности диска расположен напротив пазов 3 и 4 этих поверхностей, соответственно.

Сквозные пазы образуют на конических выступах выступы и впадины с постоянным шагом, при этом пазы на правой 3 и левой 4 сторонах диска расположены в шахматном порядке. Державку с резьбонакатным роликом устанавливают в резцедержатель токарного станка под прямым углом и выбирают продольную подачу (рис. 3), равную шагу обрабатываемой резьбы. В связи с тем, что рабочая высота конических выступов меньше высоты профиля резьбы, то при внедрении вершин выступов во впадину резьбы диск деформирует вершину резьбы, деформированный металл течет внутрь от каждого конического выступа. При накатывании замкового профиля происходит наклеп витков резьбы, что ведет к повышению усталостной прочности восстанавливаемых или упрочняемых деталей.

Процесс формообразования замкового профиля на резьбах в настоящее время практически не изучен.

Для определения рациональной технологии накатывания необходимо исследовать характер влияния основных технологических факторов процесса на поля напряжений и деформаций в заготовке и силы деформирования. Поскольку экспериментальные исследования локальной поверхностно-объемной пластической деформации Рисунок 3 - Схема образования профиля поверхности

при резьбонакатывании весьма трудоемки и деформированием предварительно нарезанной резьбы

дорогостоящи, приоритет должен принадлежать на т°карн°м станке: Пдет - частота вращения детатщ теоретическим методам. Пр - частота вращения рабочего органа;

5пр - продольная подача

Р - шаг нарезаемой «рваной» резьбы; Н - высота исходного профиля; к - высота профиля после обжатия; а - угол профиля; г - шаг накатывания; 5 - выступание гребня

Рисунок 1 - Г еометрические параметры резьбы с замковым профилем

Рисунок 2 - Накатные ролики: 1 и 2 - конические выступы; 3 и 4 - сквозные пазы

8™

Материалы и методика исследований

Для определения контактных давлений при накатывании резьб в настоящее время наибольшее применение нашел метод линий скольжения. Существенным недостатком данного способа является то, что он позволяет определять только контактные давления и не имеет возможности выявить распределение напряжений и деформаций по всему объему тела. Кроме того, данный метод является приближенным. Применительно к резьбонакатыванию использование данного метода требует сведения сложного объемного напряженно-деформированного состояния к плоскому (внедрение пуансона в полуплоскость), что существенно снижает точность расчетов.

В связи с этим для моделирования резьбонакатывания представляется перспективным использование современных численных методов математического моделирования, в частности метода конечных элементов (МКЭ). В настоящее время создано множество программных продуктов для ПЭВМ, реализующих МКЭ, однако для исследования напряженно-деформированного состояния

инструмента и заготовки при резьбонакатывании наиболее целесообразно использование

специализированных программ инженерного анализа, предназначенных для моделирования процессов пластической деформации. К ним относятся MSC.SuperForm, MSC.SuperForge, DEFORM и др. Для моделирования процесса накатывания замкового профиля на резьбе был использован одним из мировых лидеров в области моделирования процессов обработки давлением и резанием - пакет программ DEFORM 3D, разработанный компанией Scientific Forming Technology Corporation (SFTC, США). Данный программный продукт позволяет моделировать сложные трехмерные процессы пластической деформации и разрушения материалов.

При использовании МКЭ чрезвычайно важной является корректная постановка начальных и граничных условий. При моделировании процесса сделаны следующие допущения:

- инструмент абсолютно жесткий;

- заготовка идеально пластичная;

- резьба представлена в виде двух кольцевых канавок;

- качение инструмента по поверхности детали происходит без проскальзывания.

Геометрические 3D модели заготовки с прорезанными кольцевыми канавками и ролика для накатывания замкового профиля на резьбе были сформированы в системе T-Flex CAD 3D и экспортированы в DEFORM 3D.

Предварительными исследованиями

установлено [3], что основными факторами, влияющими на прочность сцепления покрытия с основой, являются шаг нарезаемой резьбы Р, выступание гребня S полугрибовидного профиля и шаг накатывания замкового профиля t, характеризующий длину гребней попеременно

смещенных в правую и левую стороны и зависящий от шага пазов в накатывающем ролике.

В результате деформирования вершин резьбы форма получаемой вершины полугрибовидного профиля напрямую зависит от степени обжатия профиля 3 - безразмерной величины,

характеризующей отношение высоты исходного профиля Н к высоте профиля после накатывания к (рис. 1).

s=H, h

(1)

где Н - высота исходного профиля;

h - высота профиля после накатывания.

Поскольку, при операции накатывания на резьбе замкового профиля происходит перераспределение металла с вершины в одну сторону, то можно считать, что чем выше значение 8, тем больше будет выступание гребня S вершины в сторону (при 8min=1 гребень отсутствует).

Зависимость между S и 8 можно проследить из подобия треугольников исходного профиля и смещаемой в сторону вершины.

H

S = 2 Р— = 2 PS. (2)

h

Допустим, что металл, смещаясь с вершины в одну из сторон, образует гребень в форме равностороннего треугольника. Т акже можно считать, что одна из сторон треугольника исходного профиля равна шагу Р. Таким образом, высота нарезаемого профиля H определяется из выражения:

H = P • cos а, (3)

где а - угол профиля нарезаемой резьбы. При подготовке поверхности под газопламенное напыление целесообразно нарезать резьбы со стандартным углом профиля а=600. Подставив (3) в (1), получим:

S = hcosa = 0,87 - -. h h

(4)

Следовательно, 8 - интегральный показатель, характеризующий одновременное влияние четырех параметров замкового профиля: Н, к, а и 51 на прочность сцепления покрытия с основой.

Задача по определению рациональной технологии накатывания на резьбе замкового профиля решалась варьированием важнейшего фактора, влияющего на образование полугрибовидного замкового профиля: степени обжатия профиля 5.

Диапазон варьирования значений 8=1,1 1,5,

обоснован целесообразностью получаемого профиля (во избежание смыкания соседних витков) и пределами прочности резьбы и самого инструмента. Предварительно проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с основой наиболее рациональными являются значения шага резьбы Р=1,25 мм и шага накатывания замкового профиля ?=1,25 мм [4], что и было принято при моделировании.

Диаметр накатного ролика при моделировании принимался равным 6,5 мм, а диаметр заготовки 20 мм.

Особенностью моделирования различных физических процессов с помощью современных программ, реализующих МКЭ, является необходимость сохранения заготовкой

неподвижности, все движения обработки следует прикладывать к инструменту. В связи с этим, при моделировании накатному ролику сообщаются два вращательных движения с одинаковой окружной скоростью равной скорости накатывания: собственное вращательное движение вокруг своей оси и вращательное движение вокруг оси заготовки, имитирующее вращение заготовки вокруг своей оси.

Численные значения угловых скоростей определялись исходя из рекомендуемой скорости накатывания и диаметров инструмента и детали.

В результате предварительных исследований установлено, что рекомендуемая скорость накатывания замкового профиля на легированных сталях У=10 м/мин. Следовательно, частота вращения детали составит:

1000У

рй д

, мин

(5)

где йд - диаметр восстанавливаемых поверхностей детали, мм; У - скорость накатывания, м/мин.

Следовательно, частота вращения инструмента пр для накатывания (при условии отсутствия проскальзывания) определяется следующим образом:

~ д —1

п = п —, мин

(6)

где йр - диаметр накатного ролика, мм.

Для сокращения потребного количества конечных элементов и, следовательно, времени расчета, моделирование целесообразно производить лишь для одной четверти заготовки. На месте удаленных частей заготовки прикладываются компенсирующие их граничные условия: запрет на перемещения по осям, перпендикулярным к плоскости разреза. При задании параметров разбиения заготовки на конечные элементы максимальной принималась зависимость степени измельчения сетки от величины эквивалентных деформаций.

Шаг вычислений по времени выбирался таким образом, чтобы обеспечить перемещение инструмента относительно заготовки за один шаг расчета на расстояние, не превышающее минимальной длины стороны конечного элемента.

В качестве материала заготовки выбрана сталь 20ХГНМ, часто применяемая для изготовления ответственных деталей автомобильной,

сельскохозяйственной и строительной техники. Задание физико-механических свойств материала заготовки обеспечивалось выбором соответствующей стали из имеющихся в программном комплексе библиотек материалов. При этом использовалась мультилинейная кинематическая модель упрочнения.

Результаты исследований

При моделировании процесса накатывания на резьбах замкового профиля получены форма и размеры профиля; значения сил, действующих на накатывающий инструмент в направлении осей координат; а также поля эквивалентных напряжений и деформаций, возникающих в восстанавливаемой детали.

В результате моделирования установлено, что геометрия замкового профиля формируется полностью, а форма и размер профиля после накатывания подтверждает главнейшее влияние степени обжатия профиля на выступание гребня.

Силы, действующие на накатывающий инструмент, также зависят от степени обжатия профиля (рис. 4). Значение нормальной силы при увеличении степени обжатия профиля возрастает в 1,5 раза (Бх=1659_2516 Н). Существенного влияния степени обжатия на максимальную осевую силу не отмечено (Бу=946 Н). Величина касательной силы с увеличением степени обжатия профиля возрастает в 1,8 раза (Р2=737_1336 Н).

Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в витке накатываемой резьбы приведено на рисунках 5 и 6. Характер и величина эквивалентных напряжений свидетельствует, что максимальные значения приходятся на вершину в месте образования замка и достигают у поверхности 805 МПа.

Распределение эквивалентных деформаций, по Мизесу, в витке накатываемой резьбы приведено на рисунках 7 и 8. Эквивалентные деформации резьбы при накатывании позволяют судить о возможном повышении микротвердости и степени упрочнения исходного материала детали. Эквивалентные деформации распределяются в зависимости от степени обжатия профиля, достигая значения 1,55. При степени обжатия профиля 1,1 упрочняется лишь вершина резьбы, а при степени обжатия 1,5 упрочненным является весь резьбовой профиль. Упрочнение достаточно равномерно, а глубина упрочнения составит более 2,6 мм.

Варьируя степень обжатия профиля в

диапазоне 1,1___1,5, можно обеспечить требуемые

степень и глубину упрочнения резьбы с замковым профилем.

Выводы

Расчет сил деформирования показывает, что накатывание замкового профиля на резьбах может осуществляться на универсальных станках токарной группы. При этом величина напряжений и деформаций при накатывании не превышает предельно допустимых значений и не приведет к разрушению резьбы на заготовке. Разработанные рекомендации могут быть использованы при проектировании технологических процессов восстановления и упрочнения деталей машин газопламенным напылением покрытий.

Рх, кН

О

о

О 1-

о о

о

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

сэ

о

сэ

о"

сэ

о"

а)

Ру, кН

о

о о о о

о

сэ

о

сэ

о

сэ

о

сэ

о

сэ

о

б)

Рг, кН

о

си

о

со

о

ю

о

00

о

си со

сэ

Рисунок 4 - Изменение сил, действующих на инструмент во времени 1: а) нормальной - Рх, б) продольной - Ру , в) касательной - Р2

в)

.зг

в)

Рисунок 5 - Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу, возникающих в материале заготовки:

а) при 8=1,5; б) при 8=1,3; в) при 8=1,1

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

\\

1ч 1\\ Iх

1 \ 8- :1,-

\ \ к N / 8= )

\

г ,1 8= = 1,3 5-""

о сч о со

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О то" о"

^ со со с^ сч со <э о"

ОООСЧ^ТСООО О СЧ1 ^ СО 00 о сч^сог^

ои^с^^юоооиюоот-^оо-'-^г^о ЮСО^СООт-СО'^ЮГ^ООСЯ-'-СЧСОЮ СЭ о" о" о" Т-" ^ СЧ СЧ СЧ СЧ

И, мм

Рисунок 6 - Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу, возникающих в вершине резьбы, по глубине к

Рисунок 8 - Распределение эквивалентных деформаций по Мизесу в вершине резьбы

а)

Рисунок 7

б) в)

Распределение эквивалентных деформаций по Мизесу в материале детали: а) при 8=1,5; б) при 8=1,3; в) при 8=1,1

Литература

1. Патент Р Ф № 2237525 В05Б 03/12 Бюл. №28 10.10.04 г. Способ подготовки поверхности изделия под напыление и устройство для его осуществления / В.Н. Коренев, В.Н. Хромов, В.В. Барабаш, К.В. Кулаков, С А. Зайцев; Патентообладатель Орел ГАУ.

2. Патент РФ № 2305606 В 05Б 3/00 Бюл. №25 10.09.07 г. Устройство для подготовки поверхности изделия под напыление /В.Н. Коренев, В.Н. Хромов. Патентообладатель Орел ГАУ.

3. Хромов, В.Н. Технология подготовки поверхности деталей под напыление [Текст] /В .Н.Хромов, В .Н.Коренев // Упрочняющие

технологии и покрытия. - 2006. - №9(21). - С. 3-5.

4. Киричек, А.В. Накатывание резьб с замковым профилем [Текст]/ А.В .Киричек, А.Н. Афонин, Д .А.Должиков, В. Н. Хромов, В.Н .Коренев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. -№7(31). - С. 20-24.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Коренев В. Н.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Коренев В. Н.

Текст научной работы на тему «Моделирование подготовки поверхности при восстановлении и упрочнении деталей сельхозтехники газопламенным напылением»