CC BY
47
ные фотографии в сравнении с классическими методами исследования микроструктур сталей и сплавов. Исследования в нанометровом диапазоне позво-
ляют обнаруживать неравновесные диффузионные процессы распада и формирования фаз и структур.
Статья поступила 10.02.2015 г.
Библиографический список
1. ОАО «НИИизмерения» // Нанометрология. 2014 [Электронный ресурс]. URL: http://www.micron.ru/innovation/nano (25.12.2014).
2. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1-2. С. 61-69.
3. ИСО 3650-98. Геометрические характеристики изделий (GPS). Эталоны длин. Эталонные блоки. М.: НТС, 1998. 28 с.
4. ГОСТ 28798-90. Головки измерительные пружинные. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2005. 7 с.
5. Друк Н.Р. Информационные технологии построения мо-
делей отбора данных в лазерных измерительных системах вибрации поверхностей // Вестник БГТУ. 2013. № 3. С. 68-71.
6. Исследование метрологических характеристик измерительного сканирующего зондового микроскопа с применением калибровочных решеток типа TGZ / К.В. Гоголинский, К.Л. Губский, А.П. Кузнецов [и др.] // Измерительная техника. 2012. № 4. С. 18-21.
7. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов. СПб.: Химиздат, 2007. 784 с.
УДК 621. 787
РАСЧЕТ ПРОФИЛЬНОГО РАДИУСА РОЛИКА ПРИ ОБКАТКЕ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ
© С.А. Зайдес1, В.Ф. Горбунов2, А.В. Горбунов3
1,2Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
3ОАО «ИркутскНИИхиммаш»,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Академика Курчатова, 3.
Дано обоснование методики расчета величины профильного радиуса ролика при обработке нежестких валов. Установлено, что размер профильного радиуса зависит от критической деформации, размера зоны взаимного влияния, диаметров заготовки и ролика.
Ключевые слова: нежесткий вал; поверхностный слой; пластическая деформация; глубина упрочнения; профильный радиус.
CALCULATION OF ROLLER PROFILE RADIUS UNDER NON-RIGID SHAFT ROLLING S.A. Zaides, V.F. Gorbunov, A.V. Gorbunov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. JSC «IrkutskNIIhimmash»,
3 Akademika Kurchatova St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper validates the calculating methodology of a roller profile radius value under non-rigid shafts machining. The profile radius size depends on the critical deformation, the size of the mutual influence zone, workpiece and roller diameters. The roller profile radius has a greater effect on the intensity of cold work hardening than on hardening depth. When critical deformation exceeds 8%, the value of roller profile radius virtually doesn't depend on the workpiece diameter. Keywords: non-rigid shaft; surface layer; plastic deformation; hardening depth; profile radius.
Роль поверхностного слоя
Разработка технологического процесса поверхностного пластического деформирования предполагает выбор профильного радиуса и диаметра ролика. Экспериментально установлено, что чем больше диаметр ролика, тем большее усилие требуется для достижения требуемой глубины упрочнения [8]. Однако
при обработке нежестких валов возникает ограничение по величине усилия прижима инструмента к заготовке из-за недопустимой величины прогиба или угла закручивания. Кроме того, для нежестких валов рациональная глубина упрочнения ограничена размером зоны взаимного влияния, которая зависит от размера зерна. Для достижения такой глубины упрочнения в
1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: zsa@istu.edu
Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: zsa@istu.edu
2Горбунов Владимир Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89086532181, e-mail: Gorbunov12@istu.edu
Gorbunov Vladimir, Candidate of technical Sciences, Associate Professor of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.:89086532181, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgik12@mail.ru
3Горбунов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, тел.: 89500553866, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgikasd@gmail.com
Gorbunov Andrei, Candidate of technical sciences, tel.: 89500553866, e-mail: Gorbunov12@istu.edu, korgik12@mail.ru
мелкозернистых материалах необходимы небольшие рабочие усилия [3]. Фактически размер ролика в разработанной конструкции центробежного обкатника может быть выбран из конструктивных соображений [1].
Размер профильного радиуса в значительной степени связан с интенсивностью пластической деформации в зоне очага деформации. Исчерпание пластичности материала приводит к выкрашиванию упрочненной поверхности, увеличивается шероховатость и снижается усталостная долговечность нежесткого вала [8]. Однако во всех работах, связанных с исчерпанием пластичности приповерхностного объема обкатываемой детали, авторы исходят из условия однородности протекания пластической деформации в приповерхностном слое и внутреннем объеме тела. Это не соответствует действительной картине развития пластической деформации в поликристаллическом теле. Экспериментально доказано, что в приповерхностном слое пластическая деформация возникает при напряжениях значительно меньше макроскопического предела текучести [3]. Истинный предел упругости зависит от размера зерна. В пределах зоны взаимного влияния при удалении от свободной поверхности истинный предел упругости увеличивается, достигая значений макроскопического предела текучести.
Исследования пластичности образцов с различным размером зерна, у которых изменялся один из размеров: толщина, ширина образца или длина рабочей части, показали зависимость интенсивности деформационного упрочнения от величины отношения указанных параметров к размеру зерна [11]. Анализ этих экспериментальных и теоретических результатов позволяет утверждать, что характеристики пластичности каждого последующего слоя зерен больше при переходе от поверхности вглубь поликристалла. Приповерхностный слой зерен имеет наименьшую предельную величину пластической деформации, после которой практически отсутствует деформационное упрочнение. Величина деформации до начала разрушения этого слоя в несколько раз меньше, чем образца в целом. Вполне очевидно, что особые пластические свойства должны учитываться при выборе (расчете) геометрических параметров деформирующего инструмента.
Определение профильного радиуса
Оптимальные геометрические параметры ролика при обкатке нежестких деталей необходимо выбирать с учетом ограничений, установленных в работе [3]. Глубина упрочнения не должна превышать размера зоны взаимного влияния. Для обеспечения релаксационной стойкости формирующиеся в поверхностном слое остаточные напряжения должны иметь интенсивность, не превышающую критического напряжения. Интенсивность относительной деформации на поверхности при обкатке не должна превышать критическую, екр. Выбранные с учетом этих ограничений геометрические параметры инструмента должны обеспечить минимальную шероховатость поверхности заготовки.
Пластическая твердость материала (НД) [5] опре-
деляется по формуле
НД -
P - P
r_ro_
(1)
где Рг - усилие прижима ролика Рго - нагрузка, при которой возникает пластическое течение в ПС; Л -глубина остаточной вмятины ролика; Опр - приведенный диаметр, рассчитываемый по формуле
где
D = -Г, пр лЧь
А 1 1 1
л = — + — , B =-
(2)
D D0
2r
ов - диаметр заготовки; эр - диаметр ролика; г -профильный радиус ролика.
н - -
P
1 9 1
- + - (a - b)2 -- (a + b) к^яа-якр 4 4
Л
+1, (3)
где 2,5-2,6; а, Ь - размеры полуосей эллипса пятна контакта; аг - 1,4-1,6; сткр - критическое напряжение, t - глубина невосстановленной лунки. Решая совместно (1) и (3), получим
н - -
{
\НД'°'рh + Г' + -(a-b)2 --(a+b)
Ка7кр 4 4
Л
+1 .(4)
При обкатывании нежестких деталей величина нагрузки Рг минимальна, поэтому можно пренебречь
величинами
Po; -(a -b)2; -(a+b); t. Тогда
4
4
h - -
s k
НДВпрИ
k a,<7
7 - кр
(5)
Как известно, сопротивление материала упруго-пластической контактной деформации в общем случае контакта тел двоякой кривизны оценивается пластической твердостью [4, 6]. Корреляционный анализ связи между критическим напряжением и пластической твердостью НД позволил получить зависимость
акр = кНДНД ,
где - постоянная величина.
Учитывая зависимость (6), получим
h - -
D
k_а 7 k тти
7 1 Кр НД
откуда
Ка^НД k Ч2
, н2 - k— об D ■
(6)
(7)
(8)
пр пр
где коб - обобщенный коэффициент.
Глубину Л при малых нагрузках можно рассчитать по формуле
/ ч 0,977
h -38 L58D,
P
HBDl У
(9)
где HB - твердость по Бринелю.
Расчет интенсивности пластической деформации на поверхности можно провести по формуле [5]:
= 2.4.3
" 2h V
,V D"P s ,
(10)
где ^ = 1- 0.5(1 -Ь / а)4. При малых нагрузках 5 и1.
Анализ процессов, протекающих в зоне взаимного влияния, целесообразно вести, опираясь на дискретное распределение напряжений и деформаций, наделяя каждый слой определенными механическими свойствами.
Переход от непрерывной экспоненциальной функции к послойной можно сделать следующим образом:
(и-Ш
-с-
е =е е Ь , (11)
т ю ' \ /
где d - диаметр зерна микроструктуры; п - номер слоя (1, 2, 3...).
Для определения допустимой величины профильного радиуса гпр решим совместно уравнения (8), (10)
с учетом соотношения (2) и равенства е = е,.0. Получим
_ 55,2k 2.h4ÄLS r = 0,52,2—-—-
"Р il „4
(12)
где ^ = гг - размер зоны взаимного влияния, е - критическая деформация поверхностного слоя зерен.
При малых нагрузках 5 и 1 и (12) приведется к следующему виду:
h4Ä
r = а2,2(-
"Р А
(13)
где а = 3.1^ - величина постоянная.
Анализ полученных результатов
Из равенства (13) следует, что размер профильного радиуса зависит от величины критической деформации, размера зоны взаимного влияния, диаметра заготовки и диаметра ролика. С увеличением критической деформации поверхностного слоя зерен уменьшается величина профильного радиуса (рис. 1). Наиболее интенсивно профильный радиус уменьшается до критической деформации 0,1. Чем больше размер зерна микроструктуры, тем шире интервал изменения профильного радиуса в заданном интервале значений критической деформации. При размере зерна от 20 до 30 мкм максимальная величина отношения не превышает 2.
При заданном размере зерна и глубине упрочнения вблизи границы зоны взаимного влияния наибольший интервал изменения профильного радиуса наблюдается при малых величинах критической деформации (рис. 2). Отношение гпр/э изменяется от 1,5 до 2,2.
Увеличение диаметра заготовки с 16 мм до 40 мм приводит к наиболее интенсивному уменьшению профильного радиуса при малой величине критической деформации (рис. 3). Отношение гпр/э уменьшается с
2 до 1,4. При критической деформации более 8% величина профильного радиуса практически не зависит от диаметра заготовки. Обобщая результаты, полученные из анализа формулы (13), можно определить интервал изменения отношения гпр/э нежестких деталей в пределах от 1,5 до 2. При размере зерна 30 мкм этому интервалу соответствует профильный радиус в пределах от 3 до 8 мм.
е>
Et
г:
О. О N О К л
2
а
о X и
О
Диаметр вала: с1в= 16 мм Диаметр ролика: с!р=30 мм
—А- i
о1
0.04
0.1 0.16 0.22 Критическая деформация £кр Рис. 1. Зависимость гпр/а от критической деформации при размере зерна d, мкм: ♦ - 20;» - 30; • - 40; ▲ - 60
0.28
| Диаметр зерна: d=30 мкм
О
0.3 0.35 0.4
Глубина упрочнения Гц, мм Рис. 2. Зависимость гпр/а от глубины упрочнения при критической деформации еКр, %: » - 4; ♦ - 8; •-12
Определение диаметра ролика
В разработанной конструкции центробежного об-катника величина диаметра деформирующего ролика ограничена размером проушины, в которой закреплена ось ролика [6]. Кроме того, с увеличением диаметра ролика увеличивается минимальный диаметр заготовки, который можно обработать центробежным об-катником данного типоразмера. При диаметре ролика 30 мм минимальный диаметр вала - около 5 мм, а при диаметре 60 мм - около 10 мм. Уменьшение диаметра ролика, кроме того, уменьшает его жесткость и долговечность.
0.2
3
Ь
кр
2.5
1.5
К
о
а
о s
H
о
0.5
0
Диаметр зерна: d=30 мкм ■ —---
♦ ♦ ♦ —♦—♦—♦
А—* > • • • А А —• • • А А—А- —î—î—Î-
16
40
22 28 34
Диаметр вала С1в, мм Рис. 3. Зависимость гпр/а от диаметра вала с/е при критической деформации еКр, %: ■ - 4; ♦ - 8; • - 16; ▲ - 28
В работе [7] экспериментально доказано, что увеличение диаметра ролика с 30 до 120 мм при прочих равных условиях приводит к увеличению глубины упрочнения только на 2,5%. Таким изменением можно пренебречь, так как разброс экспериментальных данных по определению глубины упрочнения много больше этой величины. Незначительно влияние диаметра ролика и на шероховатость поверхности [7, 9]. Учитывая все это, диаметр ролика при обработке нежестких деталей центробежным обкатником следует назначать из конструктивно технологических ограничений.
Размеры профильного радиуса влияют не только на глубину упрочнения, но и на шероховатость поверхности обрабатываемой детали. Чтобы выяснить закономерности формирования шероховатости при различных профильных радиусах, проведено экспериментальное исследование. Результаты представлены на рис. 4. Уменьшение профильного радиуса приводит к увеличению шероховатости обрабатываемой центробежным обкатником поверхности заготовки. Чем больше исходная шероховатость, тем больше шероховатость после центробежного обкатывания. Наиболее интенсивно уменьшается шероховатость поверхности заготовки из стали 45 при увеличении профильного радиуса с 3 до 6 мм. Увеличение профильного радиуса ролика при центробежном обкатывании более 6 мм приводит к существенному увеличению нагрузки на ролик (частоты вращения обкатни-ка) и увеличению глубины упрочнения за пределы границы зоны взаимного влияния. В дальнейших экспериментальных исследованиях поиска технологических режимов обработки углеродистых сталей с примерно одинаковым размером зерна (25-30 мкм) с целью получения минимальной шероховатости использовались ролики с профильным радиусом 5 мм.
4 6
Профильный радиус ролика, гпр, мы Рис. 4. Шероховатость поверхности после обкатывания с разной начальной шероховатостью
образцов, мкм: ♦ - Rа=5; ■ - Яа=2,5; • - Яа=1,25. Частота вращения обкатника п=500 об/мин; подача на оборот Sm=0,11 мм/об; диаметр ролика вр=30 мм
Каждой степени точности изготовления нежесткого вала ставится в соответствие определенный интервал допустимых величин шероховатости его поверхности. Каждой продольной подаче независимо от величины исходной шероховатости соответствует интервал значений шероховатости поверхности нежесткого вала, обработанной центробежным обкатником, который соответствует требованиям 5, 6 квалитета точности, что вполне достаточно для соединений вал, отверстие.
Итак, в результате исследования:
1. Получена аналитическая зависимость для обоснованного определения профильного радиуса ролика при центробежном упрочнении маложестких валов.
2. Установлено, что размер профильного радиуса зависит от величины критической деформации, размера зоны взаимного влияния, диаметра заготовки и диаметра ролика. С увеличением критической деформации поверхностного слоя зерен уменьшается величина профильного радиуса.
3. Установлено, что профильный радиус ролика оказывает большее влияние на интенсивность наклепа, чем на глубину упрочнения. При критической деформации более 8% величина профильного радиуса ролика практически не зависит от диаметра заготовки.
4. Определено, что увеличение профильного радиуса ролика при центробежном обкатывании более 6 мм приводит к существенному увеличению нагрузки на ролик (частоты вращения обкатника) и увеличению глубины упрочнения за пределы границы зоны взаимного влияния.
Статья поступила 03.02.2015 г.
Библиографический список
1. Вулых Н.В., Горбунов А.В. Центробежное обкатывание нежестких валов для достижения минимальной шероховатости и максимальной несущей способности поверхности // Вестник ИрГТУ. 2012. № 10. С. 34-39.
2. Горбунов А.В., Горбунов В.Ф. Закономерности деформа-
ционного упрочнения поверхностного слоя стали 25 // Вестник ИрГТУ. 2011. № 6. С. 50-52.
3. Горбунов А.В., Горбунов В.Ф. Обоснование глубины упрочнения нежестких валов при поверхностной пластической деформации центробежным обкатником // Вестник
ИрГТУ. 2012. № 9. С. 29-33.
4. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965.
5. Дрозд М.С., Сидякин Ю.И. О роли линейных и сдвиговых деформаций в упрочнении поверхностного слоя детали при ее обкатке роликами // Проблемы прочности. 1987. № 7. С. 40-44.
6. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин Г.В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 304 с.
7. Мартыненко О.В. Исследование влияния геометрических параметров деформирующих роликов на качество поверхностного слоя при обработке поверхностным пластическим
деформированием: дис. ... канд. техн. наук. Волгоград. 2003. 178 с.
8. Смелянский В.М. Механика упрочнения материалов поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 c.
9. Школьник Л.М. Шахов В.И. Технология и приспособления для упрочнения и отделки деталей накатыванием. М.: Машиностроение, 1964. 184 с.
10. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1971. 248 с.
11. Keller C., Hug E., Feaugas X. Microstructural size effects on mechanical properties of high purity nickel // International Journal of Plasticity. 2011. 27. P. 635-654.
УДК 625.768.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОЙ КОММУНАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЛЕТНЕГО СОДЕРЖАНИЯ ДВОРОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© В.Г. Зедгенизов1, М.П. Куксов2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Определены рациональные режимы работы малогабаритной коммунальной машины, которые характеризуются оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя между приводом движителя и рабочим оборудованием. Приведена расчетная схема и уравнения, входящие в математическое описание работы машины. Представлены графики, иллюстрирующие параметры рабочего процесса при изменяющемся угле наклона опорной поверхности.
Ключевые слова: малогабаритная коммунальная техника; распределение мощности, производительность, уборка дворовых территорий, математическая модель.
MATHEMATICAL MODELING-BASED DETERMINATION OF RATIONAL OPERATION MODES OF COMPACT MUNICIPAL MACHINE USED FOR YARDS MAINTENANCE IN SUMMER V.G. Zedgenizov, M.P. Kuksov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Compact municipal machine rational operation modes characterized by an optimal ratio of engine power distribution between a drive unit and machine implement are determined. A calculation model and equations of the mathematical description of machine operation are given. The graphs showing workflow parameters under varying inclination angle of bearing surface area are provided.
Keywords: compact municipal machinery; power distribution; performance; cleaning of yards; mathematical model.
Наиболее подходящей техникой для выполнения уборки на ограниченных территориях, таких как тротуары, остановки общественного транспорта, автостоянки, дворы и т.д. являются малогабаритные подме-тально-уборочные машины [1]. Они обладают компактностью и маневренностью, способны выполнять требуемые функции на территориях, ограниченных по размеру и доступности.
В работах [2, 3] говорится, что отличительной особенностью малогабаритной коммунальной машины (рис. 1) является разветвление силового потока, при котором часть мощности идет на движитель, а часть -на привод рабочего и вспомогательного обору-
дования.
Малогабаритная коммунальная машина содержит одноосный энергоблок с унифицированным сцепным устройством, цилиндрическую подметальную щетку, вакуумное оборудование и бункер для хранения смета.
Рабочий процесс машины складывается из следующих операций: подметание щеткой смета и транспортирование его в бункер потоком воздуха, создаваемым вентилятором.
Расчетная схема малогабаритной коммунальной машины представлена на рис. 2. Технические характеристики машины приведены в таблице.
1Зедгенизов Виктор Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных, дорожных машин и гидравлических систем, тел.: 89149309684, e-mail: vigez@istu.edu.ru
Zedgenizov Viktor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Construction, Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: 89149309684, e-mail: vigez@istu.edu.ru
2Куксов Максим Петрович, аспирант, тел.: 89041188122, e-mail: venom18@yandex.ru Kuksov Maksim, Postgraduate, tel.: 89041188122, e-mail: venom18@yandex.ru
