CC BY
23
Оригинальная статья / Original article УДК 621.787.4
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-22-29
ВЛИЯНИЕ КИНЕМАТИКИ ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ
НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ © Зайдес С.А.1, Нгуен Ван Хинь2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Целью работы является исследование влияния кинематики локального нагружения на напряженно-деформированное состояние в очаге деформации. МЕТОДЫ. Использована теория малых упругопласти-ческих деформаций и метод конечных элементов для построения математических моделей локального нагружения, позволяющих определять напряженное состояние в очаге деформации в зависимости от кинематики инден-тора. РЕЗУЛЬТАТЫ. Представлены результаты компьютерного моделирования и анализа влияния кинематики поверхностного пластического деформирования на напряженное состояние, определены рабочие и остаточные напряжения по глубине очага деформации. ВЫВОДЫ. Результаты компьютерного моделирования показывают, что при изменении кинематики локального нагружения в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия изменяются в пределах 20%. Получены максимальные значения временных напряжений и остаточных напряжений во всем объеме образцов. Глубина пластической зоны при изменении кинематики нагружения составляет 2,75-2,85 мм.
Ключевые слова: осциллирующее выглаживание, натяг, подача, частота вращения, рабочий инструмент, кинематика инструмента, очаг деформации.
Формат цитирования: Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь. Влияние кинематики локального нагружения на напряженно-деформированное состояние в очаге деформации // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 6. С. 22-29. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-22-29
LOCAL LOADING KINEMATICS EFFECT ON STRESS-STRAIN STATE IN DEFORMATION ZONE Zaides S.A., Nguyen Van Hinh
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The purpose of the work is to study the influence of local loading kinematics on the stressstrain state in the deformation zone. METHODS. Using the theory of small elasto-plastic deformations and the finite element method the mathematical models of local loading have been built which allow to determine the stressed state in the deformation zone depending on the indentor's kinematics. RESULTS. The results of computer simulation and the analysis of the effect of the surface plastic deformation kinematics on the stressed state have been presented. The working and residual stresses in the depth of the deformation zone have been determined. CONCLUSIONS. As the results of computer simulation show the change in the local loading kinematics in the surface layers results in the change of the compressive residual stresses within 20%. The maximum values of temporary and residual stresses have been obtained throughout the sample volume. The depth of the plastic zone under the changed loading kinematics is 2.75-2.85 mm. Keywords: oscillating burnishing, preload, feed, rotational speed, working tool, working tool kinematics, deformation zone
For citation: Zaides S.A., Nguyen Van Hinh. Local loading kinematics effect on stress-strain state in deformation zone. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 6, pp. 22-29. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2017-6-22-29
©
Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu
Semen А. Zaides, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu
2Нгуен Ван Хинь, аспирант, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com Nguyen Van Hinh, Postgraduate, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com
©
Введение
Поверхностное пластическое деформирование (ППД) является одним из наиболее простых и эффективных методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин. ППД повышает усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость деталей и тем самым увеличивает долговечность машин [1-3]. Управление напряженным состоянием при обработке поверхностным пластическим деформированием имеет большое значение для изготовления качественных изделий. Напряженное состояние является характеристикой качества поверхности, оказывающей большое влияние на усталостную прочность деталей машин. Особенно при изготовлении тонкостенных деталей иногда требуется снизить напряженное состояние в очаге пластической деформации, чтобы в процессе формообразования исключить перенаклеп или увеличение твердости.
В настоящее время в металлообрабатывающей промышленности способы локального обкатывания отличаются несложной кинематикой: деформирующий элемент, обкатывая вращающуюся заготовку, перемещается вдоль ее оси. В результате след движения деформирующего элемента представляет собой винтовую канавку того или иного профиля и шага. Однако исследования, проведенные Ю.Г. Шнейдером [4] показали, что деформирующее воздействие при обкатывании тем выше, чем сложнее перемещение рабочего элемента относительно деформи-
руемой поверхности. Была предложена новая схема чистовой обработки давлением -вибрационный способ обкатывания. В исследовании М.Е. Попова [5] при обработке с оциллирующим движением инструмента получены экспериментальные результаты по шероховатости и остаточным напряжениям в деталях, но при этом временные напряжения остаются малоизученными.
Рассмотренные методы упрочняющей обработки отличаются кинематикой деформирующего инструмента, который совершает возвратно-поступательное движение вдоль или поперек оси детали. При этом каждая микрозона поверхностного слоя испытывает давление в разных направлениях. Перемена знака напряжений отражена эффектом Баушингера [5] и проявляется в изменении механических свойств упрочняемого материала.
В работе [6] приведены результаты исследования напряженного состояния при локальном поверхностном пластическом деформировании за счет изменения кинематики деформирующего инструмента, которые свидетельствуют, что деформирование в стесненных условиях закрепления заготовки и (или) деформирующего инструмента влияет на интенсивность напряженного состояния в очаге деформации.
Целью данной работы является установление влияния кинематики рабочего инструмента на напряженно-деформированное состояние в очаге пластической деформации.
Конечно-элементное моделирование
Для исследования влияния кинематики поверхностного пластического деформирования на напряженное состояние в очаге деформации рассмотрено четыре схемы упрочняющей обработки:
- статическое нагружение заготовки деформирующим инструментом (рис. 1, а);
- обработка поверхности по простой схеме нагружения (рис. 1, Ь);
- обработка с осциллирующим дви-
жением инструмента в направлении продольной подачи (рис. 1, с);
- обработка с осциллирующим движением инструмента в направлении, перпендикулярном оси детали (рис. 1, б).
Деформирующей инструмент представляет собой стержневой элемент с рабочей поверхностью скругления, который прижимается к цилиндрической поверхности детали и может дополнительно совер-
шать осциллирующие движения относительно горизонтальной или вертикальной плоскости.
Техническая идея по интенсификации напряженного состояния в очаге деформации заключается в изменении кинематики рабочего инструмента, которая может усиливать искажение структуры материала и тем самым повышать степень упрочнения поверхностного слоя.
Для анализа напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при упрочнении различными способами ППД успешно применяется компьютерное моделирование, в основе которого лежит метод конечных элементов (МКЭ). Одной из универсальных и широко применяемых программ, реализующих МКЭ, является ANSYS [7], которая и была использована в данной работе. Для проведения расчета при ППД построены геометрические модели в виде кинематики двух цилиндров и контакта между ними.
Характеристики образца: форма поверхности - цилиндрическая, диаметром
б = 20 мм; материал - сталь 45, упругопла-стическая, упрочняющаяся; модуль упругости Е = 2,105 МПа; коэффициент Пуассона у = 0,3; диаграмма деформирования материала - билинейная, описываемая пределом текучести ат = 360 МПа, модулем упрочнения Ет = 1,45 • 103 МПа.
Характеристики инструмента: стержень с приведенным радиусом Я = 4 мм; материал - твердый сплав ВК8; модуль упругости Е = 6,105 МПа; коэффициент Пуассона у = 0,3.
Приняты следующие режимы обработки: глубина внедрения инструмента ^ = 0,1 мм, коэффициент трения в зоне контакта /■ = 0,2; частота вращения образца п = 100 об./мин, число двойных ходов инструмента вдоль оси заготовка П1 = 1000 дв.ход/мин, число двойных ходов инструмента поперек оси заготовка п2 = 1000 дв.ход/мин. Число двойных ходов П1 = п2 выбрано одинаковым, чтобы оценить влияние направления осцилляции на напряженное состояние в очаге деформации.
b
d
Рис. 1. Кинематические схемы локального нагружения при поверхностном пластическом деформировании Fig. 1. Kinematic schemes of local loading under surface plastic deformation
Результаты моделирования
Временное и остаточное напряженные состояния материала. Напряженное состояние материала при деформационном упрочнении можно разделить на временное и остаточное. Первое из них возникает при действии внешних сил, второе - при их отсутствии. Временное напряжение влияет на энергосиловые характери-
стики процесса, степень и глубину упрочненного слоя, давление в зоне контакта, шероховатость поверхности заготовки, прочность и стойкость деформирующего инструмента. На рис. 2 для примера показаны поля распределения временных напряжений в поперечном сечении образца по схемам обработки (рис. 1, Ь и б).
a
c
В табл. 1 приведены максимальные значения временных эквивалентных напряжений и компонент напряжений при разных схемах обработки.
Эквивалентные напряжения рассчитаны по формуле3
0экв = J1 • [(öl - ^2)2 + (02 - Ъ)2 + (^3 - Ol)2]-
a
Расчеты подтверждают известную информацию о том, что с усложнением кинематики деформирующего инструмента напряженное состояние в очаге деформации повышается. В наших опытах простое нагружение заготовки деформирующим инструментом обеспечивает наименьшее напряженное состояние. При движении инструмента в направлении подачи возрастают все компоненты рабочих напряжений.
b
Рис. 2. Поля распределения временных напряжений в плоскости yoz: a - схема рис. 1, b; b - схема рис. 1, d: 1 - деформирующий инструмент, 2 - обрабатываемая заготовка Fig. 2. Distribution fields of temporal stresses in yoz plane: a - 1 scheme, b; b - fig 1 scheme, d: 1 - deforming tool, 2 - workpiece
Таблица 1
Влияние схем деформирования на компоненты максимальных временных напряжений в очаге деформации
Table 1
The effect of deformation schemes on the components of maximum temporary stresses
in the deformation zone
Схемы обработки / Processing schemes Временное напряжение Temporary stress, M , МПа / Pa
вр. о/ вр. v вр. авр. "экв'
Статика в одной плоскости (рис. 1, а) / One plane statics (fig. 1, a) -719 -495 -24 294
Динамика в двух направлениях (рис. 1, b) / Two-directional dynamics (fig. 1, b) -727 -529 -671 334
Динамика в двух направлениях и осциллированние в горизонтальной плоскости (рис. 1, c) / Two directional dynamics and oscillation in the horizontal plane (fig. 1, c) -738 -538 -686 336
Динамика в двух направленных и осциллированние в вертикальной плоскости (рис. 1, d) / Two directional dynamics and oscillation in a vertical plane (fig. 1, d) -739 -587 -706 359
3Степин П. А. Сопротивление материалов: учебник. М.: Высш. шк., 1983. 303 с. / Stepin PA. Strength of materials. Moscow, Hig. Edu. School Publ., 1983, 303 p.
Это явление можно объяснить формированием упругопластической волны как в продольном, так и в тангенциальном направлениях. Смещение вольны в направлении обработки требует дополнительных усилий, которые повышают напряжение в очаге деформации.
Наложение на рабочий инструмент дополнительных осциллирующих движений приводит к дополнительному росту напряженного состояния упрочненного слоя. Следует отметить, что осциллирование рабочего инструмента в вертикальной плоскости (схема рис 1, б) способствует форми-
a
рованию наибольших напряжений.
Полученные результаты дают основание для разработки рекомендаций по снижению радиальных нагрузок при упрочнении маложестких валов за счет уменьшения величины натягов при сохранении необходимых рабочих напряжений.
На рис. 3 показаны для примера поля распределения остаточных напряжений в поперечном сечении по схемам обработки (рис. 1, Ь и б). В табл. 2 приведены максимальные значения остаточных эквивалентных напряжений и компонент напряжений при разных схемах обработки.
b
Рис. 3. Поля распределения остаточных напряжений в плоскости уоz: a - схема рис. 1, b; b - схема рис. 1, d Fig. 3. Distribution fields of residual stresses in the yoz plane: a - fig. 1 scheme, b; b - fig 1 scheme, d
Таблица 2
Влияние схем деформирования на компоненты максимальных остаточных напряжений
Table 2
Effect of deformation schemes on the components of maximum residual stress_
Схемы обработки / Processing schemes Остаточные напряжени Residual stresses, M я, M^ Pa
or V<p ^экв
Статика в одной плоскости (рис. 1, а) / One plane statics (fig. 1, a) -127 -341 -366 247
Динамика в двух направлениях (рис. 1, b) / Two-directional dynamics (fig. 1, b) -222 -193 -263 250
Динамика в двух направлениях и осциллированние в горизонтальной плоскости (рис. 1, c) / Two-directional dynamics and oscillation in the horizontal plane (fig. 1, c) -213 -213 -250 252
Динамика в двух направлениях и осциллированние в вертикальной плоскости (рис. 1, d) / Two-directional dynamics and oscillation in a vertical plane (fig. 1, d) -245 -242 -296 295
Результаты компьютерного моделирования напряженных состояний показывают, что после обкатки на поверхности деталей формируются остаточные напряжения сжатия. Величина остаточных напряжений изменяется в пределах 20%, в зависимости от кинематики процесса. По схеме (рис. 1, г) получена максимальная величина остаточных напряжений сжатия, а по схеме (рис 1, а) - минимальная, потому что схема (рис. 1 г) с осциллирующим движением инструмента в направлении, перпендикулярном оси детали, осуществляется при больших значениях рабочих напряжений.
Глубина пластической зоны. ППД
сопровождается пластической деформацией поверхностных слоев материала. На рис. 4 представлена глубина пластической деформации в зависимости от кинематических схем обработки (рис. 1, Ь и d), а в табл. 3 приведены значения глубины наклепа.
Результаты компьютерного моделирования показывают, что при постоянной глубине внедрения рабочего инструмента усложнение кинематики его движения не-
сколько увеличивает глубину упрочненного слоя (не более чем на 3-4%). Глубина упрочненного слоя зависит от величины радиального давления в зоне контакта, что подтверждается данными табл. 1 и 3. Усложнение кинематики рабочего инструмента сказывается в большей мере на осевых и тангенциальных напряжениях, чем на радиальных.
Таким образом, общая концепция моделирования закономерностей ППД позволяет предложить новое перспективное направление синтезирования методов и схем упрочнения, обеспечивающее формирование новых свойств поверхности и поверхностного слоя деталей за счет комбинирования кинематики на каждом этапе упругопластического деформирования.
Техническим результатом данного исследования является расширение возможностей обработки ППД и диапазона достижимых параметров механического состояния металла поверхностного слоя за счет применения деформирующего стержня с определенной кинематикой движения относительно обрабатываемой поверхности.
b
Рис. 4. Поля распределения пластической деформации: a - схема рис. 1, b; b - схема рис. 1, d: 1 - деформирующий инструмент, 2 - обрабатываемая заготовка Fig. 4. Distribution fields of plastic deformation: a - fig. 1 scheme, b; b - fig 1 scheme, d: 1 - deforming tool, 2 -machined workpiece
a
©
Таблица 3
Глубина наклепа при разных схемах обработки
Table 3
Depth of hardening under different machining schemes_
Схемы обработки / Processing schemes агвр., МПа h, мм
Статика в одной плоскости (рис. 1, а) / One plane statics (fig. 1, a) -719 2,75
Динамика в двух направлениях (рис. 1, b) / Two-directional dynamics (fig. 1, b) -727 2,8
Динамика в двух направлениях и осциллирование в горизонтальной плоскости (рис. 1, c) / Two-directional dynamics and oscillation in the horizontal plane (fig. 1, c) -738 2,85
Динамика в двух направлениях и осциллированние в вертикальной плоскости (рис. 1, d) / Two-directional dynamics and oscillation in a vertical plane (fig. 1, d) -739 2,85
Выводы
1. На основе компьютерного моделирования разработана программа для определения напряженно-деформированного состояния в очаге деформации в зависимости от кинематики деформирующего инструмента.
2. По результатам конечно-элементного моделирования установлено, что усложнение кинематики технологического процесса повышает напряженное состояние в очаге пластической деформиро-
вании, особенно в осевом и тангенциальном направлениях.
3. При изменении кинематики рабочего инструмента величина остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях заготовки изменяется на 15-20%.
4. Установлено, что глубина упрочненного слоя при разной кинематике инструмента изменяется незначительно (около 3-4%).
Библиографический список
1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 152 с.
2. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
3. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. 184 с.
4. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: справочник. СПБ: Политехника, 1988. 414 с.
5. Зайдес С.А., Емельянов В.Н., Попов М.Е., Кропоткина Е.Ю., Бубнов А.С. Деформирующая обработка валов: монография. Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2013. 452 с.
6. Нго Као Кыонг, Зайдес С.А. Новые технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Наукоёмкие технологи в машиностроении. 2017. № 3. С. 25-30.
7. Баков К.А. АМБУБ: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.
References
1. Papsev D.D. Otdelochno-uprochnaiusaia obrabotka poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Finishing-strengthening processing by surface plastic deformation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 152 p. (In Russian)
2. Odintsov L.G. Uprochnenie i otdelka detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem: spravochnik [Part strengthening and finishing by surface plastic deformation: a handbook]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 328 p. (In Russian)
3. Baiter M.A. Uprochnenie detalei mashin [Hardening of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1978, 184 p. (In Russian)
4. Snheider Ya.G. Tekhnologia phinishoi obrabotki davleniem [Technology of finishing pressure treatment]. Sankt-Peterburg, Palitexnhik Publ., 1988, 414 p. (In Russian).
5. Zaides S.A., Emenlianop V.N., Polov M.E., Kropot-kina E.Yu., Bubnov A.S. Deformiruiushaia obpabotka valov [Deformation processing of shafts]. Irkutsk, 2013, 449 p. (In Russian).
Критерии авторства
Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 05.05.2017 г.
6. Ngo Cao Cuong., Zaides S.A., Novui teckhnologhicheckie vogmoznocti otdelotrno-upratrniaiusei obrabotki poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [New technological potentialities of finish- strengthening by surface plastic deformation]. Naukoemkie tekhnologi v mashinostroenii. [Science intensive technologies in mechanical engineering]. 2017, no. 3, pp. 25-30. (In Russian).
7. Balkov K.A, ANSYS: spravochnik polzovatelia [User's guide]. Moscow, DMK Press. Publ., 2005, 640 p. (In Russian).
Authorship criteria
Zaides S.A., Nguyen Van Hinh have equal authors rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 05 May 2017
