CC BY
43
УДК 621.81
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ НОРМАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ В РАДИАЛЬНООКРУЖНОЙ ПЛОСКОСТИ РОЛИКА ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
Г орохова Марина Николаевна к.т.н., доцент
Полищук Светлана Дмитриевна д.т.н., профессор
Абрамов Юрий Николаевич ст. преподаватель
Бышов Дмитрий Николаевич к.т.н., ст. преподаватель
Горохов Александр Анатольевич студент
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, Рязань, Россия
В статье установлено влияние поверхностного пластического деформирования и угла установки ролика на эпюры удельных нормальных давлений и контактных сил трения
Ключевые слова: ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ, РОЛИКИ, КОНТАКТНЫЕ УСЛОВИЯ
UDS 621.81
DISTRIBUTION OF SPECIFIC NORMAL PRESSURE IN THE RADIAL AND DISTRICT DIRECTION OF A ROLLER AT SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMATION
Gorokhovа Marina Nikolayevna Cand.Tech.Sci., associate professor
Polischuk Svetlana Dmitriyevna Dr.Sci.Tech., professor
Abramov George Nikolayevich senior lecturer
Byshov Dmitry Nikolayevich Cand.Tech.Sci., senior lecturer
Gorokhov Alexander Anatolyevich Student
Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostychev, Ryazan, Russia
The influence of a superficial plastic deformation and a corner of installation of a roller on the diagram of specific normal pressure and contact forces of friction is shown in the article
Keywords: SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMATION, ROLLERS, CONTACT CONDITIONS
В настоящее время отделочные технологические процессы методами поверхностного пластического деформирования заменяют традиционные процессы резания, и обеспечивают высокие качественные показатели обработанной детали, а также экономию материальных средств, что происходит за счет увеличения эксплуатационных сроков службы деталей, замены высоколегированных сталей менее легированными, а также снижения затрат труда [1].
Экспериментальные исследования по изучению распределения удельных нормальных давлений в диаметральной плоскости ролика проводились на обкатном приспособлении с использованием
тензометрической аппаратуры. Полученные типичные осциллограммы в радиально-окружной плоскости ролика представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. - Типичные осциллограммы распределения удельных
нормальных давлений в радиально-окружной плоскости для круглых образцов (12ми проход, сталь 45): 1 - мессдоза радиальная; 2 - мессдоза наклонная; 3 - радиальная составляющая усилия обкатывания Ру
По внешнему виду осциллограммы соответствуют верхней половине синусоиды. Обрабатывая осциллограммы, получили эпюры распределения нормальных удельных давлений и контактных сил трения в радиальноокружной плоскости ролика для первого прохода (рис. 2-6).
а
а
Р, МПа
4 МПа
б
1600
1200
800
4 МПа
б
4 1, мм
1
2
3
Рисунок 2. - Эпюры Рисунок 3. - Эпюры распределения
распределения удельных удельных нормальных давлений (а) и
нормальных давлений (а) и контактных сил трения (б) в контакных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для радиально-окружной плоскости круглых образцов (1-ый проход, сталь для круглых образцов (1-ый 45): 1 - Ру = 2250 Н; 2 - Ру = 2000 Н; 3 проход, сталь Ст 5): 1 - Ру = 2000 - Ру = 1650Н Н; 2 - Ру = 1750 Н; 3 - Ру = 1500Н
Обкатыванию подвергались образцы из сталей 5, 45, У8 и армко-железа, диаметром от 65 до 100 мм, Яа = 1,6 мкм, ролик устанавливался перпендикулярно оси образца. Рассматривая полученные графические зависимости, видно, что они имеют одинаковый характер для всех обкатанных сталей. Имеются все три зоны контактного трения:
опережения, прилипания и отставания [2] .
а
Р, МПа
1300
1100
900
3 1д, мм
+МПа
а
У V 1
А / у 2
/ \ \
2 3 4 1 н,мм
б
Рисунок 4 - Эпюры распределения Рисунок 5. - Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) удельных нормальных давлений (а) и и контактных сил трения (б) в контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для радиально-окружной плоскости для круглых образцов (1-ый проход, круглых образцов (1-ый проход, сталь У8): 1 - Ру = 2250 Н; 2 - Ру = армко-железо): 1 - Ру = 1350 Н; 2 - Ру 1750 Н = 1100 Н
Для исследования влияния смазок на распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика применялись разнообразные смазки [3].
1
2
а
Р, МПа
а
1 н, мм
♦ МПа
б
♦ МПа
б
Рисунок 6. - Эпюры распределения Рисунок 7. - Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) удельных нормальных давлений (а) и контактных сил трения (б) в и контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для радиально-окружной плоскости для круглых образцов (1-ый проход, круглых образцов (Ст 5): 1 - 1ый сталь 45): 1 - без смазки; 2 - с проход; 2 - 3Ш проход; 3 - 12ш применением сульфофрезола с проход керосином; 1 - Ру= 1350 Н; 2 - Ру =
1100 Н
В процессе обкатывания каждая точка обрабатываемой детали подвергалась многократному воздействию деформирующего элемента. Кратность приложения нагрузки влияет на качественные характеристики получаемого слоя. Уменьшение подачи ролика или увеличение числа проходов может вызывать перенаклеп поверхности, а, следовательно, понижение предела выносливости детали [4]. Так как длина площадки
2
3
4
контакта между роликом и обкатываемой деталью в осевом направлении больше подачи, то в процессе обкатывания значительная часть ролика обкатывает уже предварительно упрочненный материал. В процессе обкатывания могут быть два случая: радиальная составляющая усилия обкатывания колеблется в значительных пределах и в процессе обкатывания радиальная составляющая колеблется незначительно, т.е. можно принять Ру = cons t [5].
а
ld, мм
а
1н, мм
ld, мм
б
б
Рисунок 8. - Эпюры распределения Рисунок 9. - Изменение длины дуги удельных нормальных давлений (а) и контакта для первого и последующих контактных сил трения (б) в проходов ролика: а - для стали 45; б -радиально-окружной плоскости для для стали Ст 5 круглых образцов (сталь 45): 1 - 1м2
і
2
3
4
2о ий і -л ый
^ „ - 3— проход; 3 - 12— проход
Обработка осциллограмм по градуировочным графикам мессдоз позволила построить эпюры распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика при различных проходах (рис. 7, 8).
Характер эпюр удельных нормальных давлений одинаков для всех проходов деформирующего ролика, однако происходит изменение длин дуг контакта.
а
Ртах, МПа
1700
1500
1300
1100
Так как обкатывания упрочнение рованного
в процессе происходит деформи-слоя, т.е.
10 К,цикл
б
Ртах, МПа
Рисунок 10. - Изменение максимальных удельных нормальных давлений для первого и последующих проходов ролика: а - для стали 45; б - для Ст 5
увеличение предела текучести на сдвиг и растяжение, а также изменение других
механических свойств, то возрастает сопротивление деформированию при
проходах вызывает длин дуг увеличение нормальных давлений при постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания (рис. 10). Таким образом, этот процесс интенсивно происходит на
2
4
6
8
первых трех проходах ролика. При последующих проходах интенсивность упрочнения замедляется. Это вызывает меньшее изменение длин дуг контакта и удельных нормальных давлений.
Проведены исследования распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости для плоских образцов, изготовленных из стали Ст 5 и армко-желсза. Накатывание производилось на горизонтально-фрезерном станке модели 6М82. По данным обработанных осциллограмм получили эпюры распределения нормальных удельных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости для плоских образцов (рис. 11).
Таким образом, на характер распределения нормальных удельных давлений влияет кривизна поверхности обкатываемой детали. При увеличении кривизны детали характер распределения нормальных удельных давлений приближается к виду, характерному для плоского образца.
Р. МПа
1200
1000
800
2
V У
✓О -1 \ \\
/У V
А В С В
2 А 1. Ы1
- МПа
300
200
100
-100
-200
А В 3 с в
0 1 2 ' N 4
Рисунок 11. распределения
С целью определения возможности построения эпюр распределения удельных нормальных давлений для реального процесса накатывания расчетным путем с использованием формул,
приведенных В.М. Сегалом, проведено сравнение
экспериментальных и расчетных эпюр [5].
Так как для реального металла
1,ыы предел текучести при сдвиге в процессе накатывания изменяется по дуге контакта и по глубине слоя, то с Эпюры помощью микрометрического
удельных столика замерялась твердость НУ
нормальных давлений (а) и вдоль дуги ^ш^кг^ а значения
контактных сил трения (б) предела текучести на сдвиг
(первый проход, армко-железо): 1 - экспериментальная; 2
расчетная
определяются: К =
НУ 6 .
Изменение предела текучести на сдвиг К подчиняется зависимости: К = К0 (1 -Зл/2х)
Угол наклона а-линий скольжения к контактной поверхности:
т
ШВ2^ =—.
К
тк - контактные силы трения, полученные экспериментально.
А.
Я
1д- длина дуги контакта, полученная экспериментально.
Таким образом, полученные экспериментальные данные по величине контактного трения, протяженности зон, распределения предела текучести на сдвиг по дуге контакта позволили рассчитать эпюру распределения удельных нормальных давлений для реального процесса накатывания с высокой точностью. Экспериментальная и расчетная эпюра отличаются на 4-7 %. Экспериментально установлено, что удельные нормальные
давления определяются контактными силами трения, реологией материала, геометрией ролика.
Форма ролика определяет течение обкатываемого металла в радиально-окружной плоскости и вдоль оси детали. Углы установки ролика при обкатывании составляют 0°30'- 2°, поэтому изменение диаметра ролика в пределах пятна контакта незначительно. Учитывая это, возможно при постоянном диаметре ролика путем установки его на угол ф исследовать распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости в зависимости от этого угла.
а
С
Р
б
Процесс поверхностного
пластического деформирования характеризуется кратностью приложения нагрузки. При
последующих проходах ролика, в зависимости от подачи, эти углы определяют деформацию
поверхностного слоя. Эта
деформация различна ввиду различного внедрения ролика в поверхностный слой металла, что вызывает неодинаковые физикомеханические свойства
наклепанного слоя. При исследовании основание
экспериментального при-
Рисунок 12. - Схемы установки ролика способления разворачивалось на при исследовании влияния углов на исследуемый угол и
распределение удельных нормальных закреплялось болтами. На давлений и контактных сил трения: а - рисунке 12 представлена в радиально-окружной плоскости; б - в расположение ролика для записи осевой плоскости удельных нормальных давлений
и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика [4].
Ширина цилиндрической ленты ролика В=10 мм. Удельные давления замерялись в сечении 1-1 - центр точечной мессдозы находился на расстоянии 0,9 мм от начала ленты и в сечении 11-11 - центр точечной мессдозы находился в середине ленты. Затем ролик поворачивался вокруг горизонтальной оси на 180° и удельные давления замерялись в сечении III-
III. В этом случае записывались удельные давления также на расстоянии
0,9 мм от края ленты до середины точечной мессдозы. Исследования проводились в радиально-окружной плоскости ролика при следующих углах ф поворота: 0°; 0°40'; 1°. Обкатывались образцы из Ст 5 диаметром 65 мм и усилии на ролик Ру = 2100 Н.
На рисунке 13 представлены распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трений при угле ф = 0 °40' при применении в качестве смазки масла индустриального 45. Полученные эпюры аналогичны эпюрам распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения при различных усилиях, передаваемых на ролик. Максимальные удельные нормальные давления и контактные силы трения возникают в сечении 1-1, а минимальные - в сечении Ш-Ш, что объясняется большим и меньшим внедрением деформирующего элемента в поверхностный слой [6].
Рисунок 13. - Эпюры распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения по ширине ролика (первый проход, Ст 5) ф = 0о40' При обкатывании роликом с углом ф = 0° в сечениях 1-1 и Ш-Ш наблюдается увеличение удельных нормальных давлений по сравнению с сечением П-П, что, объясняется «краевым эффектом», т.е. существует всплеск удельных нормальных давлений по краям деформирующего
ролика (рис. 14). При увеличении угла ф происходит перераспределение удельных нормальных давлений вдоль ленты - кривые 2,3. Для сечения 1-1 максимальные удельные нормальные давления увеличиваются с 1060 МПа при ф = 0 до 13470 МПа - при ф = 1°. Следует ожидать, что у вершины ролика максимальные удельные нормальные давления увеличиваются еще больше (ф = 1°, 0°40г) по сравнению с ф = 0, на что подтверждается характером кривых 2 и 3.
Р, МПа
8 В,
м
Рисунок 14. - Изменение Рисунок 15. - Изменение длины дуг
максимальных удельных контакта по ширине ролика (первый
нормальных давлений по ширине проход, сталь Ст 5): 1 - ф = 0°; 2 - ф ролика (1-ый проход, сталь Ст 5): 1 = 0°40'; 3 - ф =1°
- ф = 0°; 2 - ф = 0°40'; 3 - ф = 1°
Зависимость изменения длин дуг контактов ролика и образца при изменении угла ф для указанных сечений представлены на рисунке 15. Таким образом, угол установки ролика ф оказывает значительное влияние на перераспределение удельных нормальных давлений.
При радиальной постоянной усилия обкатывания характеристики наклепанного слоя стабилизируются к 10-20 циклу обкатывания, тогда
2
4
6
длина цилиндрической ленты ролика:
N Б I =-, ц п
где Ыц - число циклов нагружения; Ыц = 10-20; Б - подача, мм/об.; п - число роликов.
Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Упрочнение поверхностным пластическим деформированием роликами изменяет эпюры удельных нормальных давлений и контактных сил трения.
2. Упрочнение при последующих проходах ролика с постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания Ру вызывает уменьшение длины дуги контакта ролика и детали. Увеличение удельных нормальных давлений при 12ш проходе достигает 12-20 % по сравнению с первым проходом.
3. Установлено, что угол установки ролика ф оказывает значительное влияние на характер распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения.
Библиографический список
1. Суслов А.Г., Дальский А.М. /Научные основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.
2. Технология изготовления деталей машин /А.М. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.: Под общ. ред. А.Г. Суслова. - М: Машиностроение, 2000. - 840 с.
3. Горохова М.Н. Комбинация методов упрочнения и пластического деформирования // Сборник докладов и материалов 9 конгресса «Кузнец - 2009»: «Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения, кузнечно-штамповочного
производства и обработки материалов давлением». - Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2009. - С. 233-238.
4. Остаточные напряжения /Ж.А. Мрочек, С.С. Макаревич, Л.М. Кожуро и др.; Под ред. С.С. Макаревича. - Мн.: УП «Техно-принт», 2003. - 352 с.
5. Горохова М.Н., Барковский Ю.Б. // Комбинированный метод электромагнитной наплавки и поверхностного пластического деформирования. Ремонт, восстановление, модернизация. - Москва, 2007. - №1. - С. 12-14.
6. Горохова М.Н. Граничные условия при обкатывании роликами при комбинации наплавки и пластического деформирования // Сборник докладов и материалов 9 конгресса «Кузнец - 2009»: «Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения, кузнечно-штамповочного производства и обработки материалов давлением». - Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2009. - С. 221-225.
