CC BY
11
УДК 539.388.2
О. Г. Попович, канд. техн. наук В. Г. Шевченко
ЗапорЬький нацюнальний техтчний уншверситет, м. Запоргжжя
ВИЗНАЧЕННЯ РАЦЮНАЛЬНОГО СП1ВВ1ДНОШЕННЯ
ПАРАМЕТР1В ПОПЕРЕДНЬОГО ТА ОСТАТОЧНОГО
ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ
3 застосуванням анализу розм^рностей до процесу поверхневого пластичного деформу-вання отримано рацюнальне ствв^дношення сил деформування I ствв^дношення подач при попереднъому та остаточному змщненш детали робочими тыами р^знихрозм^р^в. Втомш випробування вигладжених зразшв показали ефективнють запропонованого способу змщнення деталей.
Ключов1 слова: поверхневе пластичне деформування, сила деформування, подача, радиус кривизни, втомш випробування.
Вступ
Завдання пвдвищення надшностд та довговдч-ностд деталей набувае все бшьшого значення у зв'язку зд зростанням напруженостд у конструкциях сучасних машин. Ефективним методом тдвищення опору деталд втом1 е змщнення по-верхневим пластичним деформуванням, при яко-му в поверхневому шард деталд виникають спри-ятливд залишковд напруження стиску [1].
Для п1двищення змщнювального ефекту вед поверхневого пластичного деформування збшьшують у допустимих межах силу деформування, а також застосовують два (шодд — три) робочд ходи. При цьому, сила деформування не повинна перевищувати критичного значення, за якого ввдбуваеться перенаклепування поверхнд деталь
Ранте ми обгрунтували, що, використовуючи для поверхневого пластичного деформування ро-бочд тша з бiльшими або з меншими раддусами кривизни робочих поверхонь, можна наводити в поверхневому шарi деталi залишковi напруження стиску з екстремумом на бiльшiй або на меншш глибинi. Застосувавши скiнченноелементне мо-делювання, ми дослддили характер розподшу за-лишкових напружень по глибинд у поверхневому шар1 детал1 з пружно-пластичного матер1алу п1сля обкочування поверхн1 детал1 лише одним та послддовно двома цил1ндричними роликами з р1зними рад1усами.
Результати зазначено! роботи показали мож-лив1сть вдосконалення розподшу залишкових напружень у поверхневому шар1 детал1 шляхом проведення попереднього та остаточного змщнен-ня бшьшим 1 меншим робочими тiлами, до яких прикладали в1дпов1дно больше й менше зусилля деформування. Кр1м того, встановлено рац1ональну послвдовтсть змщнення.
© О. Г. Попович, В. Г. Шевченко, 2012
Оскшьки залишковд напруження стиску в поверхневому шар1 сповшьнюють зародження та розвиток втомних трщин, то проведення попереднього та остаточного змщнення у запропоно-ваний нами способ сприятиме додатковому щдви-щенню втомно! довгов1чност1 детали у пордвнянт з однократним змщненням.
Постановка завдання
З науково-техшчно! л1тератури в1дом1 конст-рукци шструменпв, як1 дозволяють проводити попередне та остаточне змщнення детали робочими т1лами з р1зними радиусами кривизни робочих поверхонь. Але в цих инструментах бшьшд та меншд робоч1 тша притискаються до детали з однаковими силами 1 рухаються з однаковими подачами. Наприклад, у двохрядному кульовому розкатнику з п1дпружиненими опорними конусами [1], якд мають однаковд кути м1ж тв1рною конуса та його в1ссю, сила притискання вдд пру-жини однаково передаеться на кул1 першого та другого рядав. В шструментд для вигладжування, що являе собою п1дпружинену вилку, яка несе алмази з р1зними раддусами [1], внаслщок р1вност1 плеч вилки, сили притискання алмаздв до по-верхнд деталд будуть однаковими.
Недолдком способдв змщнення такими Днстру-ментами е те, що бдльшД робочд тша створюють на площадцд контакту невеликий тиск, а тому наводять у деталд недостатньо високд залишковд напруження стиску. КрДм того, в багатьох випад-ках доцдльно для робочих тдл з бшьшими раддусами кривизни призначити бшьшу подачу.
Мета цДе1 роботи — визначити рацдональне спДввддношення сил деформування д сшвввдно-шення подач при попередньому та остаточному змщнент деталд робочими тдлами з рдзними раддусами, а також експериментально перевдрити отриманд результати.
1727-0219 ВВестник двигателестроения № 1/2012
- 115 -
Змст i результата дос.мдження
В робот1 [2] застосовано Teopiro подабноста й анал1з poзмipнoстeй до визначення кoeфiцieнта змщнення при поверхневому пластичному де-формуванш дeталi одним робочим тiлoм (крис-талом алмазу).
У нашш робота застосуемо аналiз розмрнос-тей для сшвставлення залежностей залишкових
напружень вщ глибини h , яка ввдраховуеться вiд пoвepхнi дeталi, пiсля змщнення ii бiльшим та меншим робочими тшами. При цьому до сис-теми фактopiв, якi визначають фiзичну сутнiсть процесу змщнення, включимо величини, якими характеризуються пpужнo-пластичнi властивoстi матepiалу дeталi та пpужнi властивoстi матepiалу робочого тша. Будемо вважати, що пружньо-пла-стичнi властивoстi матepiалу детал описуються дiагpамoю деформування з лшшним змщненням [3].
Розглянемо випадок, коли головш pадiуси кривизни робочо! поверхш змщнювальних тiл малi у пор]внянш з головними радаусами кривизни оброблювано! пoвepхнi дeталi (наприклад, алмазне вигладжування вала). Кр1м того, будемо вважати, що для попереднього та для остаточного змщнення використовуються геометрично пoдiбнi poбoчi тша. Тода геометричним параметром, який суттево впливае на процес змщнення, е один з головних радауов кривизни R робочого тша. Другий головний радаус кривизни про-порцшний до першого, зокрема дopiвнюe пер-шому, якщо робоча поверхня змщнювального тiла е сферичною.
Тoдi величину будь-якого компонента тензора залишкових напружень на глибиш h вщ по-вepхнi дeталi можна подати у виглядi функщо-нально! залежностк
стh =f (h,R,Q,s,E,sT,ET,v,E1;v1;m),
(1)
де Q — сила притискання робочого тша до детал^
s — подача шструмента на один оберт або на подвшний хщ;
E i Et — вщповщно модуль Юнга та модуль змщнення мат^алу деталц
St — границя текучост матepiалу дeталi;
v i Vi — кoeфiдieнти Пуассона матepiалiв дeталi та робочого тiла вiцпoвiцнo;
Ei — модуль Юнга матepiалу робочого тша змщнювального шструменту;
m — коефшдент тертя мiж робочим тшом i деталлю (якщо розглядаеться змщнення дeталi обкочуванням, то вплив m на залишкoвi напру-ження несуттевий i його можна не брати до уваги).
Oскiльки при змт швидкoстi головного руху змiднювальнoi обробки залишкoвi деформацц та напруження змшюються несуттево [1], то вплив ще! швидкoстi на залишкoвi напруження не бу-демо брати до уваги.
Серед величин, що входять у функцioнальну залeжнiсть (1), за величини з незалежною розмь
ршстю виберемо R i Q . Рoзмipнoстi iнших величини виразимо через poзмipнoстi [r] i [Q]:
[h] = [R], [s] = [r] , [E ] = Q][r]-2, [st]=[Q]-[R]-2, [Et]=[Q] [R]"2,
[v] = 1, [Ei] = [Q].[R]"2, [vi]= 1,
[m]=i.
Таким чином, з n = 12 величин, суттевих для розглядуваного процесу змщнення вщповщно до (1), двi величини (к = 2) мають незалежну poзмipнiсть. Тoдi, згiцнo p-теореми [4], функщо-нальна залeжнiсть (1) тсля приведення до без-poзмipнoгo вигляду буде мiстити n - к = 10 без-poзмipних величин:
Sh • R2 Q
= Ф 0
( h s E • R2
St • R Et • R
Q
Q
R R Q
E, • R2
,v—=—, v1, m
Q
(2)
Дал^ розглядаючи змiднeння однакових деталей робочими тшами з piзними радаусами, але з однакового матepiалу, маемо вважати:
E = const, St = const, Et = const, v = const, Ej = const, vj = const, m = const.
Тoдi функщональну залежшсть (2) можна переписати так:
S = Q Ф I h Q s s h = R2 •Ф1 i R' R2' R
(3)
3 формули (3) випливае, що для того, щоб функцюнальт залeжнoстi залишкових напружень вщ глибини, вiцнeсeнoi до радауса робочого тiла
— , були однаковими пiсля змiцнeння деталей R
бшьшим робочим тiлoм з радаусом R та меншим робочим тшом з pадiусoм r , необхвдно за-довольнити двом сшввщношенням:
qr = Qr_ i = sr r2 R2 r R '
3вiцси знаходимо opieнтoвнe спiввiцнoшeння
сил притискання робочих тш до детал1 QR 1 Qr
та стввщношення подач SR 1 sr вщповщно при попередньому та при остаточному змщнент:
От. QR
R2 SR R
Ми провели експериментальне пор1вняння змщнювальних ефектiв вщ вищеописаного гсную-чого способу та вiд запропонованого нами способу змщнення деталi поверхневим пластичним деформуванням.
Зразки для експериментав виготовили з га-рячекатаного прутка зi сталi 30ХГСА. Форма зразкв — 1 вiдповiдно до ГОСТ 25.502-79. Зразки обточували, потам шл1фували до необхщних розм1р1в. М1кроструктура матер1алу зразк1в на поверхш та в серцевиш — сорбгт, тверд1сть ИЯС20...21.
Ном1нальний д1аметр зразыв у найменшому перетин1 7,5 мм; фактичш значення д1аметр1в зразкiв вимрювали на малому 1нструментально-му мжроскот. Перед проведенням втомних вип-робувань для кожного зразка за фактичним зна-ченням його д1аметра розраховували величину навантаження, яке встановлювали на машит для втомних випробувань. Завдяки цьому рiвень напружень при випробувант всiх зразк1в залишався постайним.
Нами проведено випробування трьох груп зразк1в: зразки п1сля шл1фування (не змщнет), зразки, змщнет алмазним вигладжуванням, вщпо-вщно 1снуючого способу, та вщповвдно запропонованого способу. Для змщнення було викорис-тано вигладжувач1, в яких кристали алмазу мали сферичн1 робоч1 поверхн1 з радаусами Rсф = 2,5 мм 1 гсф = 1,0 мм . Режими алмазного вигладжування наведено у таблиц 1, змащувально-охолоджуюча рщина для вигладжування — мастило шдустрь альне 20. При остаточному вигладжуванш силу деформування було збшьшено у пор1внянш з1
значенням
( Г 2 ^
QR~2
R
оскшьки матер1ал зраз-
ка зм1цнюеться при попередньому вигладжуванш.
Вщомо, що зносост1йк1сть зразыв, при змщнент яких напрямок зсувного деформування при виг-ладжувант був протилежний до напрямку деформування при р1занш, виявилася суттево ви-щою за зносостшисть зразыв, при змщнент яких обидва напрямки деформування зб1галися [5]. Тому, в наших експериментах змщнення було проведено таким чином, що напрямок дотично! до поверхш зразка сили, яка д1яла на нього тд час вигладжування, був протилежний до напрям-ку дотично! сили, яка даяла на зразок з боку шл1фувального круга п1д час шл1фування.
Втомн1 випробування проведено вщповщно до ГОСТ 25.502-79 в умовах цикл1чного згинання зразка, який обертаеться, на машин1 МУИ-6000 (частота навантаження 100 цикшв за 1 секунду). Безпосередньо перед випробуванням поверхню зразка, який встановлено на машин1 МУИ-6000, очищували спиртом в1д залишкв мастила та ви-тирали насухо. Цикл напружень у зразку при випробувант на ц1й машин1 е симетричним. Мак-симальне нормальне напруження в1д згинання в поперечному перетин1 зразка, яке мае м1сце на його поверхш, становило 495 МПа.
Статистична обробка результатав експериментав показала наступне. Середне значення логарифма довгов1чноста у групи зразк1в, змщне-
них за 1снуючим способом ^ Nзм = 5,42 , було бшьше, а середньоквадратичне вщхилення логарифма довгов1чноста = 0,13 було менше, нж
вщповвдт значення шлф = 4,92 1 = 0,15
у групи зразк1в п1сля штфування. Середне значення логарифма довгов1чноста у групи зразюв, змщнених вщповщно запропонованого нами способу ^ Nрац = 5,83 , було бшьше, а середньоквад-ратичне ввдхилення логарифма довгов1чност1 Я^ = 0,10 було менше, нж указан значення у групи зразюв, змщнених за юнуючим способом.
Таблиця 1 — Параметри 1 режими змщнення вигладжуванням
2
s
г
г
Спосо би зм1цнення Стади зм1цнення Рад1ус алмазу Сила деформування Подача Частота обер™ шпинделя
1снуючий попередне зм1цнення Rсф = 2,5 мм 50Н мм 0,08- об 800^ хв
споаб остаточне зм1цнення гсф = 1,0 мм 50Н 0,08 мм об 800 ^ хв
Запропонований попередне зм1цнення Rсф = 2,5 мм 200Н 0,08 мм об 800^ хв
споаб остаточне зм1цнення гсф = 1,0 мм 50Н 0,04 мм об 800^ хв
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012
- 117 -
Висновки
Таким чином, результата проведение теоре-тичних дослвджень узгоджуються з даними, що отримаш експериментально. На приклад! втом-них випробувань зразкiв, зм1цнених алмазним вигладжуванням, показано ефективн!сть змщнен-ня поверхневим пластичним деформуванням вщповщно запропонованого способу.
Список лггератури
1. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник / Л. Г. Одинцов. — М. : Машиностроение, 1987. — 328 с.
2. Богуслаев В. А Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД / В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, В. Ф. Притченко ; под ред. Б. А. Грязнова. — К. : Манускрипт, 1993. — 334 с.
3. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести / Н. Н. Малинин. — М. : Машиностроение, 1975. — 400 с.
4. Гухман А. А. Введение в теорию подобия / А. А. Гухман. — М. : Высшая школа, 1963. — 400 с.
5. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / Д. Д. Папшев. — М. : Машиностроение, 1978. — 152 с.
Поступила в редакцию 24.05.2011
Попович А.Г., Шевченко В.Г. Определение рационального соотношения параметров предварительного и окончательного поверхностного пластического деформирования
С применением анализа размерностей к процессу поверхностного пластического деформирования получено рациональное соотношение сил деформирования и соотношение подач при предварительном и окончательном упрочнении детали рабочими телами разных размеров. Усталостные испытания выглаженных образцов показали эффективность предложенного нами способа упрочнения деталей.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, сила деформирования, подача, радиус кривизны, усталостные испытания.
Popovich A., Shevchenko V. Definition of the useful ratio between parameters of the preliminary and final surface strain hardening
The useful ratio between deforming forces and the feed ratio at preliminary and final part strengthening by means of working elements of different size are obtained with application of dimensional theory to a surface strain hardening process. Fatigue tests of the burnished specimens proved efficiency of the method which we had proposed for part strengthening.
Key words: surface strain hardening, deforming force, feed, curvature radius, fatigue tests.
