Повышение качества маложестких валов поверхностным пластическим деформированием в стесненных условиях Нго Као Кыонг

Содержание к диссертации

Введение

Глава I Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. литературный обзор. Постановка цели и задач исследования 11

1.1 Маложесткие детали цилиндрической формы. Виды изделий, условия эксплуатации, способы повышения качества 11

1.2 Возможности, достоинства и недостатки поверхностного пластического деформирования 13

1.3 Характеристики качества поверхностного слоя 18

1.4 Поверхностное пластическое деформирование валов малой жесткости 24

1.5 Решение упругопластических задач на основе конечно-элементного моделирования в системе ANSYS 28

1.6 Физические особенности поверхностного пластического деформирования. Деформация в стесненных условиях 31

Выводы и постановка цели и задач исследования 37

Глава II Моделирование локального нагружения в стесненных условиях деформирования 41

2.1 Этапы моделирования напряженного состояния при локальном нагружении объекта 41

2.2 Определения напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при свободном и стесненном локальном нагружении 43

2.3 Влияние параметров нагружения на размеры упругопластической волны внеконтактной деформации 49

2.4 Подавление упругопластической волны при внедрении индентора в стесненных условиях 56

2.5 Анализ напряженного состояния в стесненных условиях нагружения и закрепления заготовки 60

2.6 Влияние масштабного фактора при стесненных условиях деформирования 62

Выводы по главе 2 63

Глава III Исследование напряженно-деформированного состояния при поверхностном пластическом деформировании в стесненных условиях 65

3.1 Построение и описание модели поверхностного пластического деформирования при локальном нагружении 66

3.2 Влияние основных параметров упрочнения и стесненных условий нагружения на напряженно-деформированное состояние заготовки 71

3.3 Интенсификация напряженного состояния в очаге деформации при обработке ППД 79

3.4 Внеконтактная деформация при поверхностном пластическом деформировании 87

3.5 Влияние кинематики локального поверхностного пластического деформирования на напряженно-деформированное состояние в очаге деформации 95

Выводы по главе 3 99

Глава IV Оценка качества поверхностного слоя и эксплуатационных характеристик упрочненных деталей 102

4.1 Оборудование, приборы, инструментальное оснащение, используемые для экспериментальных исследований 102

4.2 Экспериментальная оценка влияния ППД в свободных и стесненных условиях нагружения на качество упрочненного слоя 111

4.3 Влияние поверхностного пластического деформирования двухрадиусным роликом на качество упрочненного слоя 115

4.4 Влияние способов поверхностного пластического деформирования на качество упрочненного слоя 122

4.5 Определение плотности дислокаций в упрочненном слое детали 130

4.6 Определение износостойкости поверхностного слоя упрочненных деталей 131

4.7 Определение величины максимального прогиба в зависимости от жесткости деталей при разных условиях локального нагружения 134

Выводы по главе 4 136

Общие выводы по работе 137

Список литературы 139

Приложение 149

• Характеристики качества поверхностного слоя
• Влияние параметров нагружения на размеры упругопластической волны внеконтактной деформации
• Внеконтактная деформация при поверхностном пластическом деформировании
• Влияние способов поверхностного пластического деформирования на качество упрочненного слоя

Введение к работе

Актуальность работы. Обработка деталей машин малой жесткости типа валов и осей вызывает обычно технологические проблемы, так как показатели качества деталей и производительность процесса вступают в противоречие. При существующих схемах механической обработки длинные и тонкие детали вращаются относительно оси, а рабочий инструмент создает радиальную нагрузку при продольном перемещении вдоль оси детали. Центробежные силы, возникающие при такой кинематике процесса, не обеспечивают стабильной шероховатости поверхности, вызывают искривление заготовки, которое препятствует получению стабильных по длине диаметральных размеров. При снижении частоты вращения заготовки уменьшают радиальные нагрузки, но при этом резко увеличивается продолжительность времени на обработку деталей. Известные способы поверхностного пластического деформирования (ППД) осуществляются, в основном, локальными инденторами. Локальным способам упрочнения свойственны неоднородность деформации, шелушение, слабое изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала. Также при внедрении рабочего инструмента в поверхность упрочняемой детали вокруг инструмента образуется упругопластическая волна, которая считается отрицательным фактом.

В настоящее время известные способы ППД исчерпали свои технологические возможности. Продолжаются работы по поиску новых схем нагружения, совершенствованию существующих способов упрочнения, разрабатываются новые, более эффективные процессы на базе создания оригинальных конструкций упрочняющего инструмента и оборудования. Наиболее эффективное упрочнение сталей и сплавов может быть реализовано путем целенаправленных технологических воздействий на структуру металлов для увеличения плотности дислокаций и создания дислокационной субструктуры для увеличения сопротивления сдвига упрочненного материала.

Деформирование в стесненных условиях еще не получило широкого распространения и является новым направлением совершенствования технологических процессов машиностроения. Известны только некоторые работы по разработке технологии правки маложестких валов и осей в стесненных условиях нагружения, и по снижению утонения при использовании формоизменяющих операций листовой штамповки. Актуальной задачей данной работы является расширение технологических возможностей обработки ППД и диапазона достижимых характеристик механического состояния поверхностного слоя деталей. Для решения поставленной задачи предлагается использовать стесненные условия деформирования при обработке ППД маложестких деталей типа валов и осей.

Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является интенсификация напряженного состояния в очаге упругопластической деформации при отделочно-упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием в условиях стесненного нагружения.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. По результатам обзора литературных источников выявить факторы, влияющие на качество поверхностного слоя цилиндрических деталей типа валов, осей, штанг при обработке ППД.

2. На базе теории малых упругопластических деформаций и метода конечных элементов создать математическую модель локального нагружения с учетом реальной кинематики рабочего инструмента и режимов обработки, позволяющих определять напряженное состояние в очаге деформации и остаточные напряжения в упрочненных деталях.

3. На основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований определить влияние свободных и стесненных условий нагружения при ППД на характеристики поверхностного слоя упрочненных деталей.

4. Определить влияние схем упругопластического деформирования, параметров и условий нагружения на изменение размеров упругопластической волны, а также напряжено-деформированное состояние в области волны.

5. Разработать новую кинематику обкатных роликов, обеспечивающую интенсификацию напряженного состояния в очаге упругопластической деформации при обработке ППД валов и осей малой жесткости.

6. Оценить качество поверхностного слоя деталей и их работоспособность после обработки поверхностными пластическими деформированиями в стесненных условиях.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является отде-лочно-упрочняющая обработка маложестких деталей типа валов и осей поверхностным пластическим деформированием. Предмет исследования – внекон-тактная пластическая волна; остаточное напряжение; пластическая деформация в стесненных условиях; качество поверхностного слоя упрочненных деталей.

Методы исследования и достоверность результатов. При моделировании процесса ППД использована компьютерная программа ANSYS Workbench. Для проведения расчетов, создания графиков и чертежей был задействован программный пакет Microsoft Excel и КОМПАС - 3D V11.

Экспериментальные исследования проведены с использованием современных средств измерения:

– для определения остаточных напряжений на поверхности деталей использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000 G3/G3R производства компании Stresstech Oy (Финляндия);

– измерение параметров шероховатости после упрочнения ППД проведено с помощью профилографа-профилометра модели Form Talysurf I200 производства фирмы Taylor Hobson (Англия);

– для измерения поверхностной твердости упрочненных деталей использован стационарный универсальный твердомер HBRV – 187.5;

– микротвердость упрочненного слоя определена на микротвердомере марки ПМТ-3 с усилием нагружения 200 г;

– исследование микроструктуры металла проведено на металлографическом микроскопе марки МЕТ-2.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью выбранных методов исследования, применением известных численных методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными.

Теоретическая значимость. Установлена роль стесненной деформации в процессе ППД при формировании упрочненного слоя деталей машин. Определено напряжено-деформированное состояние в очаге деформации при поверхностном пластическом деформировании в стесненных условиях.

Практическая значимость:

7. Разработана технология поверхностного пластического деформирования в стесненных условиях нагружения и определены режимы, обеспечивающие интенсификацию напряженного состояния в очаге деформации при обкатывании деталей цилиндрическими роликами.

8. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Технология машиностроения» и «Отделочно-упрочняющая обработка ППД», а также аспирантами и научными работниками, которые занимаются вопросами отделочно-упрочняющей обработки ППД.

Научная новизна работы:

9. Для интенсификации напряженного состояния в очаге локального поверхностного пластического деформирования, которое позволяет снизить радиальные нагрузки и повысить качество упрочненных деталей, предложены схемы деформирования в стесненных условиях закрепления заготовки и рабочего инструмента.

10. Разработана конечно-элементная модель динамического процесса обкатывания с учетом реального воздействия деформирующего элемента на поверхностный слой детали. Математическая модель позволяет определять параметры напряжено-деформированного состояния поверхностного слоя в цилиндрических деталях, обработанных ППД.

11. Предложен новый способ обкатывания, отличающийся тем, что деформирующему ролику дополнительно сообщают вращательное движение относительно оси, проходящей через плоскость, соединяющей два ролика и перпендикулярно к оси заготовки.

12. На основании экспериментальных исследований и расчетным путем установлено влияние стесненных условий нагружения на качество поверхностного слоя упрочненных деталей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодной Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов» (г. Иркутск, апрель, 2015–2017 гг.); VII Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 23–25 сентября 2015 г.); Международной научно-практической конференции: «Инновации в науке, производстве и образовании» (г. Калининград, 12 ноября 2015 г.); XV Всероссийской с международным участием научно-технической конферен-

ции «Механики XXI века» (г. Братск, 17–18 мая 2016 г.); Международной научно-практической конференции «Новые решения в области упрочняющих технологий: взгляд молодых специалистов» (г. Курск, 22–23 декабря 2016 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (ИнМаш – 2017) (г. Новосибирск, 28–30 сентября 2017 г.); XX Международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество» (Металлургия – 2017) (г. Новокузнецк, 15–16 ноября 2017 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

13. Методика статического и динамического моделирования на базе конечных моделей для упрочняющей обработки деталей цилиндрическим роликом.

14. Параметры процесса ППД, влияющие на величину внеконтактной деформации.

15. Параметры процесса ППД, влияющие на напряженно-деформированное состояние при свободном и стесненном условиях нагружения.

16. Новый способ поверхностного пластического деформирования, обеспечивающий интенсификацию напряженного состояния в очаге деформации.

17. Методика и результаты экспериментального определения качества поверхностного слоя упрочненных деталей.

Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 23 публикациях, из них в журналах рекомендуемого перечня ВАК РФ и WoS опубликовано 11 статей, одна монография в соавторстве, получен патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Предложена математическая модель обкатывания валов в свободном и стесненном условиях нагружения, реализована методика определения величины внеконтактной деформации, предложен новый способ обкатывания, выполнены экспериментальные исследования, проведен анализ и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы и положения, выносимые на защиту.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 124 наименования источников. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 14 таблиц.

Характеристики качества поверхностного слоя

В настоящее время все возрастающее значение приобретает повышение долговечности современных машин и механизмов. Увеличение мощности и быстроходности изделий приводит к резкому росту напряженного состояния деталей и узлов. Поэтому в технологическом процессе изготовления деталей значительную роль играют отделочные и упрочняющие операции, что обусловлено высокими требованиями, предъявляемыми к качеству поверхностей. Установлена связь характеристик качества поверхности с эксплуатационными свойствами деталей. Оптимальным с точки зрения повышения эксплуатационных характеристик является поверхностный слой, имеющий достаточную твердость, сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, округлую сглаженную форму микронеровностей с большой опорной поверхностью [95].

Понятие «поверхностны слой» включает слой как в обрабатываемой, так и в эксплуатируемой в машине детали, т.е. должно охватывать оба случая и содержать общий признак [94]. Глубина распространения и характер поверхностных процессов как в детали при обработке, так и в работающей машине зависят от распределения контактных напряжений. Исходя из сказанного, под поверхностным слоем понимается толщина слоя материала детали, в котором процессы зависят от распределения контактных напряжений. Поверхность – верхняя граница поверхностного слоя.

В технологических процессах изготовления деталей и их восстановления все большее внимание уделяется операциям поверхностного упрочнения, обеспечивающие необходимые параметры качества поверхностного слоя. Потеря работоспособности деталей машин в процессе их эксплуатации связана, как правило, с разрушением их поверхностного слоя. В этой связи остро стоит проблема обеспечения долговечности деталей машин и повышения их износостойкости.

В ряде случаев для повышения эксплуатационных свойств деталей машин необходимо создание поверхностного слоя с упрочненной структурой. Имеющиеся способы упрочняющей обработки не всегда позволяют осуществлять выше перечисленным требованиям. От качества поверхности зависят следующие эксплуатационные свойства деталей [33,43,60,85,96]:

- износоустойчивость поверхностей трущихся пар;

- прочность прессовых посадок;

- прочность деталей при переменной нагрузке;

- противокоррозионная устойчивость поверхностей.

Поэтому необходимо проведение исследований расширяющих технологические возможности способов упрочнения.

Качество поверхностного слоя деталей машин определяется как геометрическими характеристиками (отклонение формы, волнистость и шероховатость поверхности), так и физико-механическими свойствами (поверхностные остаточные напряжения, эпюра их распределения, толщина упрочненного поверхностного слоя, его строение и фазовый состав, размер зерен, плотность дефектов кристаллического строения). Различают три зоны напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя металлических деталей: 1 - резко выраженной пластической деформации, которая характеризуется значительным искажением кристаллической решетки, измельченными зернами и значительным увеличением микротвердости; 2 - упругопластической деформации, характеризуемой вытянутыми зернами, наволакиванием одних зерен на другие и значительным уменьшением микротвердости; 3 - переходной упруго-деформированной, представляющей зону влияния деформации и зону перехода к строению основного металла [95].

К способам упрочняющей обработки относятся способы ППД, позволяющие формировать упрочненный слой с показателями качества, изменяющимися в широком диапазоне: глубина упрочнения 0,1…2,5 мм, повышение твердости упрочненного слоя до 20…150%, величина сжимающих напряжений на уровне 200...1400 МПа. На основании анализа литературы нами была составлена таблица 1.1, позволяющая сравнить эффективность различных методов поверхностного упрочнения. Обработка ППД является эффективным методом получения поверхностей с регулярным микрорельефом. Классификация, параметры и характеристика таких поверхностей даны в ГОСТ 24773 – 81. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции инструмента и т.д.

При ППД в материале детали протекают два различных процесса [66]:

1) в поверхностном слое под воздействием значительных по величине контактных напряжений и результата совокупного действия поверхностных факторов протекают сложные интенсивные процессы, сопровождающиеся выделением тепла, дроблением зерен и другими явлениями;

2) в глубоколежащих слоях (в оставшемся материале) детали протекает другой, более простой и менее интенсивный процесс: деформация происходит без заметных изменений структуры материала, а напряженное состояние близко к исходному, т.е. имевшемуся до деформации.

Следовательно, изменения показателей качества при ППД являются результатом процессов как в поверхностном слое, протекающих по одним закономерностям, так и в оставшемся материале детали, происходящих по другим закономерностям, т.е. изменение качества носит двойственный характер.

При нагружении твёрдого шара статической или ударной силой Р (рисунок 1.3а) он вдавливается в обрабатываемый материал: по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рисунок 1.3б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идёт по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражается в размере отпечатка d, соответствующего величине отрезка ОС. Пластическое деформирование под отпечатком распространяется равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность индентора.

Глубина и степень упрочнения поверхностным пластическим деформированием обычно характеризуется изменением твердости и остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя. При этом создаются остаточные напряжения, которые являются результатом неравномерной пластической деформации.

Степень пластического деформирования = d/D, где d – диаметр отпечатка (лунки); D – диаметр вдавливаемой сферы. Для различных методов ППД и различных условий обработки = 0,1...0,9; для конструкционных сталей = 0,1...0,7.

Повышение значения заданного параметра сопротивляемости материала заготовки разрушению или остаточной деформации по сравнению с исходным значением в результате упрочняющей обработки оценивается степенью упрочнения.

Общие требования к обработке ППД устанавливаются ГОСТ 20299-74. Степень упрочнения (наклепа) в результате ППД определяется измерением твердости HV или микротвердости по глубине h следующей зависимостью

Влияние параметров нагружения на размеры упругопластической волны внеконтактной деформации

При упругопластическом деформировании материал заготовки перемещается не только в направлении рабочего инструмента, но и в обратном, выходя из очага деформации в виде наплыва, который называют волной упругопластическо-го течения или сокращенно "волной". Внеконтактная деформация приводит к формированию пластических волн вокруг инструмента. Следовательно, поверхностный слой при обработке ППД формируется в результате пластического течения не только в контактных, но и во внеконтактных зонах очага деформации.

Возникновение упругопластической волны является следствием тех явлений, которые происходят в зоне контакта инструмента с деталью, определяет историю течения и накопления деформаций в металле. Особенности пластического волнообразования при ППД в настоящее время раскрыты недостаточно полно. В то же время форма и размеры волн входят в граничные условия при расчете напряжений и деформаций, возникающих в поверхностном слое. Отсюда вытекает необходимость исследования геометрических аспектов формирования контактных и внеконтактных зон очага деформации [85].

Металл поверхностного слоя детали, попадая под деформирующую часть рабочего инструмента, находится в состоянии всестороннего сжатия. Следуя закону наименьшего сопротивления, металл течет из области максимального давления в область минимального давления, т.е. в область, не подвергающуюся действию инструмента. Течение металла в сторону обкатанной поверхности является нежелательным, так как при этом повышается шероховатость поверхности и возникает волнистость [26,84,85].

Наличие волны следует считать отрицательным фактором, так как она увеличивает зону контакта в очаге деформации, повышает трение, уменьшает поступление технологической смазки, снижает усталостную прочность материала, поскольку возникающие в волне растягивающие напряжения способствуют раз витию микродефектов (микротрещин). Поэтому в процессе упрочнения необходимо стремиться к уменьшению размеров волны.

Исследование контактных и внеконтактных зон очага деформации позволяет получить информацию о характере пластического волнообразования, о характере изменения исходной шероховатости, наличии шелушения поверхностного слоя, дефектах рабочего инструмента и т.п.

Исследование профиля очага деформации в теории ППД отраженно лишь в нескольких работах, посвященных, главным образом, исследованию формы и размеров площадки пластического контакта. По-видимому, наиболее раннее наблюдение волны, возникающей при ППД, выполнили Н. Konig [122], а затем Н.М. Деньщик [20]. Ими отмечена зависимость высоты волны от технологических факторов.

Причиной малочисленных исследований упругопластической волны во вне-контактных зонах деформирования являются ее весьма малые геометрические размеры, которые требуют высокоточной измерительной техники. На смену трудоемких исследований пришли методы компьютерного моделирования, которые позволяют получить достаточно точные результаты сопоставимые или даже превышающие точность экспериментальных опытов.

В данном разделе рассматривается влияние параметров и условий нагруже-ния на изменение основных размеров упругопластической волны. Процесс упру-гопластического деформирования рассмотрен на модели объемного упругопла-стического тела, в которое внедряется жесткий шар.

Для процессов деформирования пластического полупространства форма и размеры контактных и внеконтактных зон ОД зависят от технологических факторов, с одной стороны, и являются свидетелями механических процессов, проходящих в ОД, с другой. К сожалению, в настоящее время в силу чисто математических трудностей не удается решить задачу ППД с определением границ ОД. Для определения размеров волны от условий нагружения при внедрении шара в упру-гопластический материал был использован программный комплекс ANSYS, предназначенный для решения задач в различных областях инженерной деятельности [5]. Особенность упругопластического формоизменения заключается в том, что очаг деформации формируется в некоторой области, занимающей малый объем по сравнению с объемом нагруженного тела. В таких случаях, как известно, вводят идеализированную схему полупространства. Типичными задачами с такой расчетной схемой являются задачи о вдавливании индентора, например, шарика в полупространство. Взаимодействие индентора с пластическим полупространством сопровождается образованием вокруг инструмента пластических наплывов – волн (рисунок 2.8).

С увеличением глубины внедрения шара (рисунок 2.11) частицы металла испытывают постоянное повышение напряженного состояния. При этом происходит непрерывное накопление деформации и исчерпание запаса пластичности частиц металла. При превышении некоторой допустимой глубины внедрения (в наших опытах t 0,7 - 0,8 мм) происходит повышение прочности металла, исчерпание запаса пластичности и уменьшение размеров волны. Таким образом, линейные размеры волны при упругопластическом деформировании позволяют косвенно оценить исчерпание запаса пластичности поверхностного слоя.

При постоянной глубине внедрения рабочего инструмента с увеличением диаметра деформирующего элемента размеры волны уменьшаются (рисунок 2.12). Это объясняется тем что, с увеличением диаметра шара происходит увеличение контактной площадки. При этом напряжение, сдвигающее фронт металла снижаются, соответственно, уменьшается высота волны. При уменьшении диаметра шара происходит обратная закономерность – зона контакта снижается, а напряжения растут.

Полученные результаты показывают, что выбирая и назначая размер деформирующего инструмента при поверхностной деформирующей обработке, технолог должен учесть и размеры внеконтактных зон, которые при этом формируются.

Наибольшее влияние на формирование упругопластической волны внекон-тактной деформации оказывает направление внешней силы (рисунок 2.13). При этом с увеличением угла наклона линии действия силы (), размеры волны постепенно уменьшаются и достигают минимальных значений при угле = 900 от горизонтали. При угле = 900 высота волны в 3 – 4 раза меньше, а длина волны, примерно на 20% меньше чем при угле, например, = 400.

Полученные данные позволяют объяснить ряд явлений при внеконтактном деформировании, например, роль смазки на формирование упругопластической волны. При проектировании обкатников и раскатников так же необходимо учитывать, что изменение направления результирующей нагрузки окажет влияние и на размеры волны, а следовательно, и на качество поверхностного слоя.

На рисунке 2.14 показана зависимость размеров волны от физико-механических свойств материала образца. При одинаковом пределе текучести т = 280 МПа (алюминиевый сплав и медный сплав) с увеличением модуля упругости размеры волны уменьшаются. Это справедливо для магниевого сплава и нержавеющего сплава. С увеличением предела текучести материала наблюдается тенденция к уменьшению высоты и длины волны внеконтактной деформации.

Внеконтактная деформация при поверхностном пластическом деформировании

Как известно, поверхностный слой деталей при обработке ППД формируется в результате пластического течения не только в контактных, но и во внекон-тактных зонах очага деформации. Внеконтактная деформация приводит к формированию упругопластических волн вокруг инструмента. Таким образом, поверхностный слой при обработке ППД формируется в результате пластического течения не только в контактных, но и во внеконтактных зонах очага деформации.

При локальном упрочнении формируется не только продольная, но и поперечная волна. Расчеты и эксперименты показывают, что волна в продольном направлении имеет значительно большие размеры, чем в поперечном [2,85]. Поэтому при анализе технологии упрочнении изучали волну только в продольном направлении.

Образование впереди инструмента пластически деформированной волны происходит при обкатке на всех режимах упрочняюще-сглаживающих процессов. Особенности пластического волнообразования при ППД раскрыты не достаточно полно. В то же время форма и размеры волн входят в граничные условия для расчета напряжений и деформаций, возникающих в поверхностном слое. В этой связи необходимо исследовать геометрические параметры не только контакта, но и внеконтактных зон очага деформации.

Целью данного раздела является рассмотрение влияния схем деформирования, параметров и условий локального нагружения на изменение размеров упру-гопластической волны.

Конечно-элементное моделирование процесса. Причиной малочисленных исследований упругопластической волны во внеконтактных зонах деформирования являются ее весьма малые геометрические размеры, которые требуют высокоточной измерительной техники. На смену трудоемких исследований пришли методы компьютерного моделирования, которые в некоторых случаях позволяют получить достаточно точные результаты сопоставимые или даже превышающие точность экспериментальных опытов.

Формирование геометрии расчетной области в компьютерной программе проводили последовательно согласно схемам нагружения цилиндрической поверхности образца жестким роликом. Упрочняющая обработка в программе в отличие от статического моделирования представляет собой реальное перемещение индентора во времени относительно упрочняемого образца [38]. Траектория движения упрочняющих тел воспроизводит режим работы упрочняемой детали. Методом конечных элементов упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием численно моделируется в трехмерной постановке. Конечно-элементная модель содержит 2983 элементов и 13547 узлов. Сетки образцов образуются гексаэдрическими элементами. Топология сетки (число узлов и их связи) в ходе решения задачи сохраняется неизменной. Для удобства исследования на профиле очага деформации выделены характерные точки и элементы, определяющие горизонтальные (lв) и вертикальные (hв) размеры волны (рисунок 3.18).

Для оценки влияния кинематики поверхностного пластического деформирования на размеры упругопластической волны рассмотрено четыре схемы нагружения: обкатывание качением с вращением ролика относительно горизонтальной оси (таблица 3.2, схема а\ обкатывание скольжением (таблица 3.2, схема б), обкатывание одним и двумя роликами с вращением относительно диаметральной оси (таблица 3.2, схемы в, г). В последних двух схемах предполагается вращение деформирующего ролика не относительно горизонтальной, а относительно вертикальной (диаметральной) оси. Частота вращения рабочего инструмента вокруг вертикальной оси принята пи=300 мин"1. Ролики диаметром 30 мм с профильным радиусом R = 5 мм. В схеме г были использованы сдвоенные ролики с профильным радиусом R/2. Такой ролик предназначен для формирования одновременно двух очагов пластических деформаций [38]. Приняты следующие режимы обработки: глубина внедрения рабочего инструмента t = 0,1 мм, заготовка крепится с двух сторон и вращается с частотой щ = 100 мин"1, подача инструмента s = 0,2 мм/об, коэффициент трения в зоне контакта ц = 0,2. Для определения влияния режимов ППД и условий нагружений (свободное и стесненное) использовали цилиндрические ролики диаметром 30 мм с профильным радиусом R = 5 мм. Для подавления внеконтактной деформации в стесненных условиях локального нагружения использован ролик с цилиндрическим пояском [69] (рисунок 3.3 б), расстояние от вершины которого соответствует глубине внедрения инструмента, а ширина пояска принята 5 мм. Частота вращения заготовки nз = 100 мин-1, коэффициент трения в зоне контакта = 0,2.

Рассмотрим влияние основных условий и параметров процесса ППД на размеры упругопластической волны при ППД.

Влияние кинематических схем деформирования на размеры упруго-пластической волны. В таблице 3.2 приведены размеры волны при различных схемах нагружения поверхности образца цилиндрическими роликами при разных условиях контакта с обрабатываемой поверхностью. При обкатывании с вращением ролика относительно оси y–y размеры волны имеют наименьшие значения, так как ролик плавно обкатывает поверхностный слой и препятствует росту упруго-пластической волны. По схеме г ролик меньшего профильного радиуса (R/2) образует фронт деформации, который стремится выдавить металл на свободную поверхность, что приводит к повышению размеров упругопластической волны. Два эллипсоидных очага деформации «разрыхляют» поверхностный слой и выдавливают металл во внеконтактную зону. Выявлено, что при обкатывании по схеме а получены минимальные размеры упругопластической волны, которые описываются выражением как

Влияние условий нагружения и параметров ППД на размеры упруго-пластической волны. При внедрении ролика в поверхность объемного упруго-пластического тела волна образуется благодаря свободной поверхности, которая позволяет воспринимать обратное внеконтактное течение металла из очага деформации. Если наложить ограничение на это упругопластическое течение, то условие деформирования металла при внедрении ролика должно измениться и оказать воздействие на изменение механических свойств поверхностного слоя. Это позволит уменьшить размеры упругопластической волны и интенсифицировать напряженное и деформированное состояние в объеме тела.

Для устранения формирования волны при пластическом течении металла предложено использовать ролик с цилиндрическим пояском. Схемы нагружения образца при свободном и стесненном условиях представлены на рисунке 3.3.

Результаты расчета показывают, что чем больше внедряется рабочий инструмент в поверхностный слой обрабатываемой детали, тем большие размеры имеет волна (рисунок 3.19). Это объясняется тем, что с увеличением глубины внедрения ролика повышается объем деформирующего материала и растет зона пластического смещения [62, 73]. При стесненных условиях нагружения волна частично остается и также растет с увеличением глубины внедрения, но ее длина меньше в 1,5 раза, а высота меньше в 4-10 раза по сравнению с деформированием в свободных условиях. При свободном нагружении получены аппроксимирующие функции зависимости размеров волны от глубины внедрения ролика

Влияние способов поверхностного пластического деформирования на качество упрочненного слоя

В технологической практике отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием широкое распространение получили локальные методы упрочнения (обкатка шариком, роликом, диском). В ИРНИТУ для обработки длинномерных валов и осей, цилиндрических деталей малой жесткости и др. разработаны новые способы упрочнения, представляющие собой процессы основанные на охватывающем деформировании [30,35]. Целью данного раздела является оценка качества поверхностного слоя упрочненных деталей в зависимости от кинематических схем деформационного воздействия.

Технологические схемы ППД. В данном разделе рассмотрено четыре схемы поверхностного пластического деформирования, отличающиеся кинематикой процесса (рисунок 4.21).

Процесс локального пластического деформирования представлен цилиндрическим роликом, вращающимся относительно горизонтальной оси (рисунок 4.21 схемы а, б). Перемещаясь в осевом направлении по поверхности вращающегося цилиндрического образца деформирующий ролик создает винтовую траекторию пластического следа на обрабатываемой поверхности.

Как отмечалось выше, при обработке длинномерных валов локальные способы деформирования малоэффективны. Центробежные силы возникающие при вращении заготовки и радиальное воздействие деформирующего инструмента приводят к искривлению заготовки и снижению качества упрочненного поверхностного слоя. Для устранения указанных недостатков предложена другая кинематическая схема упрочнения. Вращательное движение заготовки заменено на линейное перемещение вдоль оси, а локальное воздействие инструмента заменено на охватывающее (рисунок 4.21в).

В новом способе поверхностного пластического деформирования наружных цилиндрических поверхностей деталей машин, деформирующий элемент инструмента является индентором с двумя рабочими профильными радиусами, при этом инструменту дополнительно сообщают вращательное движение относительно оси, проходящей через плоскость, соединяющей два ролика и перпендикулярно к оси заготовки (рисунок 4.21г).

Режимы обработки и методика экспериментов. Исследования проведены на цилиндрических образцах диаметром 18 мм, изготовленных из стали 45 на токарном станке 1К62.

Для локального упрочнения в свободном и стесненном условии нагружения использовали ролик с цилиндрическим пояском, который представлен в разделе 4.2. В качестве технологической смазки использовали масло И-40А. Режим обработки: подача s = 0,21 мм/об, глубина внедрения ролика (натяг) 0,1 мм, частота вращения заготовки п = 125 мин1.

Охватывающее ППД выполняли на калибровочном станке [30]. В качестве рабочего инструмента использована кольцевая матрица из стали У10А. Угол рабочего конуса () составил 9, длина калибрующей зоны 4 = 4 мм. Абсолютное обжатие составило 0,2 мм; смазка - сухой порошок натриевого мыла.

Обкатывание двухрадиусным роликом выполнено на токарном обрабатывающем центре DMG NEF400 с глубиной внедрения также 0,1 мм. Подача и частота вращения инструмента приняты соответственно s = 0,21 мм/об, пз = 125 мин" \ Пинс = 1200 мин"1. Инструмент изготовлен из стали У10А.

Результаты эксперимента. Ниже показано влияние приведенных выше схем упрочнения на основные характеристики качества поверхностного слоя: шероховатость, поверхностная твердость, остаточные напряжения, микроструктура и глубина наклепа.

Шероховатость. Профилограмма шероховатости при обкатке двухрадиусным роликом и при обкатке роликом в стесненном условии показана на рисунке 4.22, из которого видно, что высота и степень заполнения впадин микронеровностей имеют лучше результаты при обработке двухрадиусным роликом. На рисунке 4.23 показаны зависимости показателей шероховатости от схемы обработки.

Величины показателей шероховатости перед упрочнением образцов имели следующие значения: Ra = 1,7 мкм, Rz = 13 мкм. При обкатке в свободном условии нагружения величины Rz и Ra уменьшаются в 2 и 2,2 раза. После обкатки роликом в стесненном условии величины Rz и Ra снижаются соответственно в 2,4 и 2,7 раза, а после охватывающего деформирования - 1,7 и 1,5 раза. Наилучшую шероховатость получили при обкатке двухрадиусным роликом. При этом Rz уменьшилось в 2,9 раз, Ra - в 3,5 раза.

Поверхностная твердость. На рисунке 4.24 показана зависимость поверхностной твердости от способа обработки. Наилучший результат получен при обкатке двухрадиусным роликом, а наименьший - при охватывающем ППД и при обкатке роликом в свободном условии нагружения. При этом твердость увеличивается соответственно на 9,4 % и 3,5 %. Это объясняется тем, что при обкатке двухрадиусным роликом поверхностный слой деформируется многократно и в большей мере, чем при охватывающем ППД. При обкатке роликом в стесненном условии нагружения твердость повышается на 5,9% по сравнению с исходной твердостью.

Микроструктура. Снимки микроструктуры и средние размеры зерен на краю упрочненной зоны представлены в таблице 4.1. Черные зерна - перлит, а белые - феррит. При рассмотренных способах упрочнения наблюдается изменение микроструктуры в поверхностном слое. После обработки ППД зерна вытягиваются в продольном сечении интенсивнее, чем в поперечном направлении. При этом наблюдается измельчение зерен и разрушение их границ и образование текстуры. Область значительного искажения зерен (зона а) распространяется на глубину 0,5 мм при охватывающем ППД, на 0,2 - 0,3 мм - при обкатке двухрадиусным роликом, и на 0,3 - 0,4 мм - при обкатке роликом в стесненном условии. Зоны б можно принять как исходную структуру с размером зерен, составляющим около 22 мкм.

Существенное изменение размеров зерен происходит в поверхностных слоях. Причем для охватывающего ППД размеры зерен уменьшаются в среднем в осевом направлении образца на 46 %, а в поперечном - на 32 %. При обкатке двухрадиусным роликом и роликом в стесненном условии размеры зерен уменьшаются соответственно на 78,5 % и 65,7 % в продольном и на 64,6 % и 54,5% в поперечном направлении. При обкатке роликом в свободном условии размеры зерен уменьшаются на 46% в поперечном и на 65,7% в продольном направлении.

Остаточные напряжения. Результаты измерения остаточных напряжений рентгеновским способом приведены в таблице 4.2, из которой видно, что остаточные осевые напряжения имеет большие значения, чем остаточные тангенциальные. При охватывающем ППД со степенью относительного обжатия Q = 2,48% ( и ин о но о о и возникают остаточное тангенциальное и осевое напряжения растяжения в поверхностном слое. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с данными работ [30,34]. При обкатке двухрадиусным роликом и упрочнении роликом в стесненном и свободном условии в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия. При этом отношение осевых и тангенциальных напряжений составляет 1,7 – 2, что согласуется с литературными данными [85,111].