CC BY
20
http://vestnik-nauki.ru/
УДК: 621.787.4
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ПОПЕРЕЧНОЙ ОБКАТКЕ ПЛОСКИМИ ИНСТРУМЕНТАМИ
Фам Дак Фыонг
STRESSEDLY-DEFORMED STATE OF CYLINDRICAL PARTS AT TRANSVERSE
ROLLING BY FLAT TOOL
Pham Dac Phuong
Аннотация. Для деформационного упрочнения деталей типа осей, пальцев, втулок предложен способ поверхностного пластического деформирования, основанный на обкатке заготовки плоскими плитами. Способ позволяет обрабатывать детали, которые не имеют центровых отверстий. При поперечной обкатке исключается также изгиб заготовки от действия поперечных сил нагружения. С помощью программного комплекса ANSYS рассмотрено изменение напряженно-деформированного состояния цилиндра при радиальном обжатии в зависимости от величины обжатия. Получено распределение остаточных напряжений по сечению цилиндра в плоскости вертикального нагружения. Определена оптимальная величина обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве метода поверхностного пластического деформирования.
Ключевые слова: упрочнение; поперечная обкатка; напряженно-деформированное состояние; упругопластическая деформация; радиальное сжатие.
Abstract. A method of surface plastic deformation based on work piece burnishing with flat plates is proposed for mechanical hardening of axles, fingers, bushings etc. The method allows to machine parts that do not have center holes. Transverse burnishing also eliminates the work piece bend caused by the action of shear loading forces. With the help of software ANSYS considered changing the stressedly-deformed state of the cylinder with radial compression, depending on the amount of reduction. The distribution of residual stresses in the cross section of the cylinder in the plane of the vertical load. The optimal value of compression at the transverse burnishing, used as a method of surface plastic deformation.
Key words: hardening; transverse burnishing; stressedly-deformed state; plasto-elastic deformation; radial compression.
Разработан ряд методов, позволяющих улучшить состояние поверхностного слоя, в частности большое распространение получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Хорошо известно[1-3], что применение метода ППД позволяет эффективно влиять на эксплуатационную надежность и долговечность широкой номенклатуры деталей машин, работающих в условиях циклических нагрузок, трения и воздействия коррозионных сред и имеющих концентраторы напряжений, места посадок с гарантированным натягом. В процессе ППД поверхностный слой претерпевает качественные изменения: сглаживаются микронеровности, повышается твердость и прочность, образуются остаточные напряжения сжатия, которые оказывают доминирующее влияние на циклическую прочность деталей.
При обработке деталей типа дисков, тонких осей и валиков возможности обычных методов упрочнения (обработка шариком, роликом) исчерпаны из-за невозможности закрепления заготовок для обработки. Для упрочнения деталей указанного типа необходим способ не требующий осевого закрепления и исключающий изгиб от поперечной нагрузки. В технологии обработки металлов давлением известен способ накатки резьб на станках
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
поперечной прокатки.
Метод поперечной прокатки успешно применяют при обработке металлов давлением. Это объясняется как его технологическими достоинствами так и значительной эффективностью обработки [4, 5]. Плоско-прокатные станы обладают рядом преимуществ: простота изготовления и низкая стоимость плоского инструмента, изготавливаемого на универсальных фрезерных и шлифовальных станках; отпадание необходимости в направляющем инструменте; стабильное положение детали на плоскости инструмента; высокая стойкость плоского инструмента (до 500000 деталей); полная автоматизация процесса; высокая точность размеров (0,01... 0,5 мм) прокатываемых деталей. Поэтому в качестве перспективного направления можно использовать способ поперечной обкатки как одни из видов ППД. В связи с этим возникла необходимость углубленного изучения этого процесса, разработки общей инженерной методики, позволяющей не только прогнозировать оптимальный выбор основных параметров режимов обработки, но и в процессе их практической реализации осуществлять целенаправленное управление этими параметрами.
На рис. 1 изображена схема процесса поперечной обкатки в плоскопрокатном устройстве. Как видно из рисунка, ось вращения обкатываемого цилиндрического тела перпендикулярна направлению движения верхней плиты. Расстояние между платками меньше исходного диаметра цилиндра на величину 2г, за счет этого цилиндрического тела деформируется. Аналогичная схема силового нагружения используется в процессах поперечной прокатки при обработке металлов давлением. При разработке этой технологии были обнаружены в центральной зоне заготовки большие растягивающие напряжения, благодаря которым формировалась зона с наличием трещин и повреждений (позднее несплошности металла в осевой зоне заготовки стали использовать для получения цельнотянутых труб). В этой связи возникает вопрос о наличии напряженного состояния при малых обжатиях, которые предполагаются использовать для упрочняющей обработки цилиндрических деталей.
Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндра при поперечной обкатке с учетом сил формоизменения и сил контактного трения представляет значительные трудности. Для определения напряженно-деформированного состояния цилиндра в условиях поперечной прокатки производится расчет с известным приближением
Рисунок 1 - Схема обжатия цилиндра при поперечной обкатке: 1 - подвижная плита, 2 - заготовка, 3 - неподвижная плита
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
на основе теоретического и экспериментального решений задачи о сжатии параллельными плитами цилиндра по диаметру. Сопоставление полей деформаций при поперечной прокатке цилиндра после поворота тела на некоторый малый угол, измеренное при помощи поляризационно-оптического метода [6], показало, что оно несущественно отличается от полей деформации при сжатии цилиндра по диаметру между плоскими параллельными плитами. Поэтому многие исследователи [6-8] считают поля напряжений и деформаций сжатого между плоскими плитами цилиндра близкими к полям напряжений и деформаций в цилиндре при поперечной обкатке.
В данной работе рассматривается напряженно-деформированное состояние цилиндра при поперечной обкатке в зависимости от величины абсолютного обжатия (Дн). Расчет выполнен с помощью прикладной программы ANSYS [9], которая предназначена для математического моделирования различных физических процессов, используя метод конечных элементов. Для проведения расчета в программе ANS YS были построены геометрические модели в виде цилиндра и двух блоков и контакта между ними. Конечно-элементная модель схемы нагружения цилиндра представлена на рис. 2.
Рисунок 2 - Конечно-элементная модель цилиндра при радиальном сжатии:
1 - цилиндр; 2 - плоские плиты
Приняты следующие параметры моделирования: цилиндр радиусом 12 мм и длиной 20 мм из стали Ст45 (от= 360 МПа); плиты размерами 24х24х5 мм считаются абсолютно жесткими; величины обжатия последовательно равны 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 мм.
В схеме на рис. 2 нижняя плита неподвижна, верхняя плита опускается вниз до значения величины обжатия, после этого верхняя плита поднимается в исходное положение, то есть происходит полная разгрузка заготовки. В результате в цилиндре появляются остаточная деформация в радиальном направлении и остаточные напряжения по всем направлениям.
Для оценки напряженно - деформированного состояния в разных точках по глубине модели определяли эквивалентное напряжение СГэкс, остаточные нормальные напряжения по осям Oz, Ох, Оу: <JZ - осевое остаточное напряжение, (Ту - радиальное остаточное
напряжение, <Т:{ - тангенциальное остаточное напряжение. Рассмотрим остаточные напряжения, которые находятся в плоскости А-А, вертикально проходящейся через ось цилиндра (рис.3). Зададим в качестве начала координат нижнюю точку в зоне касания цилиндра с плитой.
http://vestnik-nauki.ru/
При наблюдении полученных по программе полей напряжений видно, что распределение напряжений одинаково во всех сечениях, перпендикулярных оси цилиндра. Из этого следует, что остаточные напряжения распределены равномерно по длине цилиндра (рис. 3).
На рис. 4 видно, что при всех значениях величин обжатий распределение осевых остаточных напряжений носит знакопеременный характер. В зоне контакта они сжимающие, максимальные значения достигаются на некоторой глубине от периферии. В данных экспериментах эта глубина в 3-8 раз превышает величину внедрения плиты в цилиндр. Сжимающие напряжения резко уменьшаются в направлении от зоны контакта к оси симметрии цилиндра, и по мере приближения к центру тела меняют свой знак, то есть становятся растягивающими. При малых значениях абсолютного обжатия Дн = ОД; 0,2 мм, растягивающие напряжения в центре сравнительно малы (53 МПа), при больших значениях обжатия Дн = 0,5; 0,6 мм, растягивающие напряжения увеличиваются в 4-5 раз и достигают значения 219 МПа, что составляет примерно 80% от стт.
Рисунок 3 - Схема нагружения (а) и распределение напряжения oz по сечению А-А (б)
Рисунок 4 - Распределение осевых остаточных напряжений по сечению цилиндра (в плоскости вертикального нагружения)
http://vestnik-nauki.ru/
Таблица■
'езультаты расчета напряжении
Величина обжатия (Ли), мм °экв., МПа °г, МПа °у, МПа °х, МПа К
Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Мин.
0,1 327 36 53 -344 -66 88 160 -265 3 -1,6
0,2 376 51 84 -377 -81 130 206 -313 4,3 -2
0,3 378 54 126 -406 -97 225 220 -285 4,6 -1,8
0,4 383 44 144 -387 -90 252 214 -335 4,4 -1,8
0,5 355 53 230 -360 -79 271 295 -300 8,2 -1,7
0,6 330 46 219 -340 -70 256 270 -274 9,4 -1,6
0,8 312 46 178 -303 -48 225 220 -229 8,4 -1,4
Для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндра после разгрузки вместо тензора остаточных напряжении, заданного значениями своих главных компонентов -осевыми ([%), радиальными (сту) и тангенциальными (о^) напряжениями в каждой точке сечения образца, можно использовать показатель жесткости схемы напряженного состояния по Колмогорову В. Л. [11]:
(2)
^ (^г-оу) +(егу-гх) +(ах-я3р
ДанныИ показатель является обобщенным параметром, величина и знак которого отражают общий уровень остаточных напряжении в данноИ точке образца, а также преобладание растягивающих или сжимающих напряжений в схеме. При положительных значениях коэффициента К в схеме напряжений преобладают напряжения растяжения, при отрицательных - сжатия. Чем алгебраически больше значение коэффициента К, тем выше уровень растягивающих напряжений в схеме напряженного состояния. На рис.5 представлено распределение показателя жесткости схемы остаточных напряжений по сечению цилиндра при различных значениях обжатия.
Рисунок 5 - Распределение показателя жесткости схемы остаточных напряжений по сечению
цилиндра (в плоскости вертикального нагружения)
Для всех значений обжатий на периферии цилиндра распределение показателя жесткости схемы остаточных напряжений почти одинаково. Значение показателя К в
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
центральной части цилиндра мало при малых значениях обжатий Дн = 0,1; 0,2 мм (К = 0,7; 1,1) и увеличивается в 8-10 раз (К = 8,4; 9,4) при больших значениях обжатий Дн = 0,5; 0,6 мм. Приведенные на рис. 7 результаты показывают, что, несомненно, при данных условиях нагружения надо выбирать значения обжатия Дн = 0,1; 0,2 мм для достижения максимального эффекта упрочнения.
Из вышеизложенного следует, что для снижения уровня растягивающих остаточных напряжений в центральной части цилиндра при сохранении благоприятных сжимающих напряжений на периферии необходимо выбирать малые значения обжатия Дн =0,1; 0,2 мм.
Вывод по работе:
1. С помощью программы АКБУБ рассмотрено напряженно - деформированного состояния цилиндра при радиальном сжатии. Полученные результаты позволяют выбирать оптимальное значение обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве методов поверхностного пластического деформирования.
2. Оценка напряженного состояния образцов, обкатанных плоскими плитами, по эквивалентным напряжениям и по показателю жесткости схемы напряженного состояния, наглядно показывают, что данный вид поверхностного упрочнения можно использовать для получения качественных деталей машин.
3. Предложенная величина абсолютных обжатий 0,1-0,2 мм, соответствуют параметрам, которые используют в процессах поверхностного пластического деформирования.
1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.
2. Зайдес С.А. Технологическое управление остаточными напряжениями при охватывающем деформировании // Вестник ИрГТУ, 1998. №3. С. 92 - 97
3. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин Г.В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ,2007. 404 с
4. Щукин В.Я. Поперечно-клиновая прокатка в машиностроении // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития: сборник научных трудов под ред. В.А. Струка, В.И. Кравченко. Гродно: УО ГГАУ, 2008. С. 195-207.
5. Щукин В.Я. Основы поперечно-клиновой прокатки. Мн.: Наука и техника, 1986.
6. Лисицин А.И., Остренко В.Я. Моделирование процессов обработки металлов давлением (оптические методы). Киев: Техшка, 1976. 208 с.
7. Андреев Г.В., Клушкин В.А., Макушок Е.М., Сегал В.М., Щукин В.А. Поперечно-клиновая прокатка. Мн.: Наука и техника, 1974. 160 с.
8. Кантер Ю.Л. Напряженно-деформированное состояние и прочность цилиндра в условиях циклического радиального сжатия: дис....канд. техн. наук. Киев: КОЛПИ, 1983. 197 с.
9. Басов К.А. АКБУБ в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красковского. М: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.
10. Скопинский В.Н., Захаров А.А. Сопротивление материалов: Ч.2. М.: МГИУ, 2005.
11. Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1992. 200 с.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
223 с.
165 с.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Фам Дак Фыонг
ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», Иркутск, Россия, аспирант кафедры Машиностроительные технологии и материалы, E-mail: dacphuong.ru88@gmail.com.
Pham Dac Phuong
FSEI HE «Irkutsk research technical university», Irkutsk, Russia, post-graduate of the Department of engineering technologies and materials, E-mail: dacphuong.ru88@gmail.com.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрНИТУ, Кафедра МТМ, каб. Е105. Фам Дак Фыонг
8(9246)06-95-58
