Введение к работе
J J J l"Z
Актуальность темы. Поверхностное пластическое деформирование (ТТПД) является эффективным технологическим методом повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Одним из научных направлений технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин является механика технологического наследования. В рамках этого направления формирование и трансформация состояния поверхностного слоя на стадиях механической обработки и эксплуатационного усталостного нагружения рассматриваются как единый процесс непрерывного накопления деформации и исчерпания запаса пластичности металлом поверхностного слоя, протекающий под действием характерных для каждой стадии программ нагружения.
Анализ показал, что существующие методики назначения режимов механической обработки, основанные на использовании программ нагружения, позволяют проектировать упрочняющие технологические процессы, обеспечивающие требуемую циклическую долговечность для симметричных стационарных циклов нагружения деталей. При этом под циклической долговечностью понимают количество циклов нагружения до полного исчерпания запаса пластичности металлом поверхностного слоя и появления усталостной магистральной трещины.
Однако наличие широкой номенклатуры деталей машиностроения, работающих в условиях сложного эксплуатационного нестационарного нагружения, по мнению автора, требует развития наследственных закономерностей влияния состояния поверхностного слоя деталей после механической обработки на диаграммы циклического деформирования. Применение диаграммы циклического деформирования для оценки продолжающегося накопления деформации и исчерпания запаса пластичности на стадии циклической долговечности обусловлено наличием большого количества фактического и справочного материала для различных материалов, схем и условий нагружения, который может быть использован для проектирования технологических процессов.
Таким образом, раскрытие наследственных закономерностей влияния состояния поверхностного слоя после механической обработки на ДЦД и разработка на основе этих закономерностей методики проектирования упрочняющих технологических процессов, обеспечивающих заданную циклическую долговечность при сложном нестационарном эксплуатационном нагружении, является актуальной научной задачей технологии машиностроения.
Объект исследования - наследственное состояние поверхностного слоя, формирующееся в результате пластического течения металла в очаге деформации на стадиях механической обработки и трансформирующееся в процессе усталостного нагружения в зависимости от истории нагружения.
Цель работы. Повышение эффективности проектирования технологических процессов упрочнения деталей матий обкатыванием—на основе развития наследственных закономерностей формфсШайМ1^!1Ш|к!рШ|ши состояния этого слоя на стадиях резания, ППД и эксплуаткционнЩЩкж^ескр1|о
нагружения.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи.
-
Разработать структурно-аналитическую модель накопления деформации и исчерпания запаса пластичности металлом поверхностного слоя на стадиях механической обработки и циклической долговечности.
-
Разработать математические модели, характеризующие влияние параметров состояния поверхностного слоя после стадий механической обработки на процесс накопления неупругой деформации.
-
Разработать методику экспериментальных исследований, позволяющую раскрыть закономерности технологического наследования на стадиях механической обработки и циклической долговечности.
-
Провести экспериментальные исследования взаимосвязей параметров состояния поверхностного слоя металла и параметров ультразвуковых сигналов.
-
Провести экспериментальные исследования технологического наследования на стадиях механической обработки и циклической долговечности.
-
Разработать методику проектирования технологических процессов обкатывания, обеспечивающих требуемую циклическую долговечность, программные системы автоматизации ее выполнения, провести их апробацию и внедрение в промышленности.
Новые научные результаты, которые автор выносит на защиту:
-
структурно-аналитическая модель накопления деформации и исчерпания запаса пластичности металлом поверхностного слоя на стадиях механической обработки и циклической долговечности, позволяющая оценивать продолжительность стадии циклической долговечности в зависимости от режимов механической обработки при сложном нестационарном усталостном нагружении;
-
система математических моделей, характеризующих влияние параметров механического состояния поверхностного слоя на величину неупругой деформации, определяющей циклическую долговечность деталей машин;
-
закономерности влияния деформационного упрочнения и остаточных напряжений на циклическую долговечность деталей машин;
-
взаимосвязи параметров механического состояния металла и параметров распространения ультразвуковых сигналов, позволяющие измерять показатели наследуемого состояния поверхностного слоя на стадиях механической обработки и эксплуатации деталей машин;
-
наследственные закономерности влияния режимов обработки на трансформацию -эпюр-распределения показателей состояния поверхностного слоя по всей глубине поверхностного слоя при увеличении количества циклов нагружения.
Практическая ценность:
-
разработаны методики исследования формирования состояния поверхностного слоя на стадиях механической обработки с использованием методов визиопластичности и конечных элементов;
-
разработана методика исследования накопления деформации в поверхностном слое детали на стадии циклической долговечности в зависимости от режимов механической обработки;
-
разработана методика измерения степени деформации сдвига на стадиях механической обработки с использованием метода ультразвукового контроля;
4, разработана методика проектирования технологических процессов обкатывания,
обеспечивающих требуемую циклическую долговечность деталей машин;
5. Разработаны программы для ЭВМ "Наследственная механика поверхностного
слоя деталей машин", "Расчет параметров напряженно-деформированного
состояния (RNDSJVEDS)" и "Расчет циклической долговечности", прошедшие
официальную регистрацию и включенные в реестр программ для ЭВМ
Российского агентства по патентам и товарным знакам.
Методическое построение работы. Работа выполнялась в несколько этапов. На первом этапе был проведен анализ подходов к обеспечению долговечности упрочненных ППД деталей машин и описанию механики циклического деформирования, который позволил обосновать применение аппарата диаграмм циклического деформирования для оценки накошіеішя - свойств на стадии циклической долговечности. На втором этапе была проведена структуризация и обобщение представлений о процессе эксплуатационного усталостного нагружения и разработана структурно-аналитическая модель накопления деформации и исчерпания запаса пластичности на стадии циклической долговечности. На третьем этапе было проведено численное моделирование влияния режимов механической обработки на циклическую долговечность, результаты которого позволили разработать программу экспериментальных исследований технологического наследования. Далее были выполнены экспериментальные исследования влияния режимов механической обработки на циклическую долговечность. Результаты аналитических и экспериментальных исследований были положены в основу алгоритма и методики проектирования упрочняющих технологических процессов ППД, обеспечивающих заданную циклическую долговечность.
Результаты работы получены с использованием положений технологии машиностроения и методов общенаучной методологии, в том числе, структурного моделирования и синтеза, статистического и компьютерного моделирования, механики деформируемых сред, метода конечных элементов, и других, что в целом обеспечило корректность постановки и решения задач, а также адекватность полученных математических и статистических моделей.
Реализация работы в промышленности. Результаты научных исследований апробированы и внедрены на предприятиях электротехнического и горношахтного машиностроения в виде методик и программных систем расчета параметров состояния поверхностного слоя на стадиях механической обработки и циклической долговечности, методики проектирования технологических процессов обкатывания и методики оперативного ультразвукового контроля состояния поверхностного слоя деталей машин на стадиях механической обработки и циклической долговечности с суммарным годовым экономическим эффектом около 432 000 рублей.
Результаты работы используются в курсах лекций "Технология машиностроения", "Ресурсосберегающие технологии" и "Технологические процессы машиностроительного производства" для студентов специальности 120100 - "Технология машиностроения" и 120500 - "Оборудование и технология сварочного производства", а также в методических указаниях к лабораторным работам по технологии машиностроения и проектированию заготовок.
Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках научно-технических программ Минобразования РФ "Научные исследования
высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма 205 - "Транспорт", раздел - 205.03 "Наземные транспортные средства" в период с 2000 по 2003 гг.в период с 2000 по 2003 гг.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрение на:
всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технология и экология на рубеже веков", Томск, 2000;
XXXI научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров (ААИ), посвященной 135-летию МАМИ, Москва, 2000;
XXXIX международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и 'подготовки инженерных и научных кадров", Москва 2002;
всероссийской научно-практической конференции "Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении", Юрга, 2003.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 2 отчета о НИР, 3 программы для ЭВМ, зарегистрированные в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 148 наименований и 5 приложений.
Работа содержит 241 страницу, в том числе 163 страницы основного текста, 101 рисунок, 29 таблиц и приложения на 16 страницах.
