Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы технологического обеспечения качества поверхностного слоя при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием 12
1.1. Сущность и особенности методов обработки деталей
поверхностным пластическим деформированием 12
1.2. Взаимосвязь показателей качества поверхности деталей с конструктивно-технологическими параметрами и факторами обработки 16
1.3. Образование микрогеометрии поверхности при обработке ППД
1.3.1. Шероховатость после ППД 23
1.3.2. Волнистость обработанной поверхности 27
1.4. Усилие при упруго-пластическом поверхностном деформировании деталей роликами 28
1.5. Влияние усилия деформирования и параметров геометрии контакта на глубину упрочнения и остаточные напряжения 31
1.5.1. Глубина упрочнения 31
1.5.2. Остаточные напряжения в поверхностном слое обработанной детали
1.6. Геометрические параметры контактной зоны 42
1.7. Физико-механические процессы в зоне контакта при ППД
1.7.1. Структурно-фазовые изменения, происходящие при упруго-пластическом деформировании 45
1.7.2. Проскальзывание в контактной зоне
1.8. Тепловые процессы при обработке ППД 51
1.9. Инструменты, применяемые при ППД 54
1.10. Цель и задачи исследований 63
ГЛАВА 2. Геометрия контакта при поверхностном пластическом деформировании 67
2.1. Решение задачи определения геометрических параметров контактной зоны 67
2.1.1 .Решение контактной задачи прямым методом. 73
2.1.2. Определение формы и размеров деформирующих элементов по заданной форме и размерам контактной зоны 84
2.2. Анализ зависимостей определения геометрических параметров контактной зоны 88
2.3. Влияние деформации ролика на геометрические параметры контакта
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 100
ГЛАВА 3. Физико-механические явления и напряженно - деформированное состояние в зоне контакта 102
3.1. Перемещение металла при поверхностном пластическом деформировании
3.2. Аналитическое определение кинематики точек деформируемой
поверхности при ГШД 104
3.3. Взаимосвязь перемещения точек деформируемой поверхности с напряжениями в зоне контакта и усилием деформирования 116
3.4. Исследование контактных напряжений при постоянной нагруз ке действующей на деформирующий элемент 127
3.5. Аналитическое исследование проскальзывания деформирующих элементов 13 2
3.6. Температура в контактной зоне при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием 137
3.7. Взаимосвязь напряжений в контактной зоне с усилием деформирования 143 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 146
ГЛАВА 4. Глубина упрочнения и остаточные напряжения в поверхностном слое при ГШД 148
4.1. Определение глубины упрочнения от распределенных напряжений по площади контакта 147
4.1.1. Круговой контакт 152
4.1.2. Эллипсный и каплевидный контакты
4.2. Сравнение различных методик определения глубины упрочнения обработанной детали 162
4.3. Влияние конструктивных параметров деформирующих элементов на геометрию контакта и глубину упрочнения при обработке 166 валов и отверстий ГШД
4.4. Формирование остаточных напряжений при ГШД
4.4.1. Методика определения остаточных напряжений 173
4.4.2. Остаточные напряжения при обработке одинаковых по размерам отверстий и валов 176
4.5. Влияние касательных контактных напряжений на глубину упрочнения и остаточные напряжения 178
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 180
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования физико механических явлений в контактной зоне и качества поверхностного слоя 183
5.1. Методика экспериментальных исследований контактной зоны 183
5.1.1. Экспериментальные исследования проскальзывания 184
5.1.2. Выбор оборудования и инструмента для проведения экспериментальных исследований 186
5.2. Результаты экспериментальных исследований 195
5.2.1. Результаты экспериментального исследования проскальзывания 195
5.2.2. Результаты экспериментального исследования шероховатости обработанной поверхности 196
5.3. Экспериментальное исследование геометрии контактной зоны и усилия деформирования 197
5.3.1. Определение площади контакта 201
5.3.2. Экспериментальные исследования усилия деформирования 202
5.4. Результаты экспериментальных исследований глубины внедрения деформирующего элемента 207
Выводы по главе 5 208
ГЛАВА 6. Разработка научно-методической базы конструкторско технологического обеспечения качества и оптимизации обработки ППД 210
6.1. Конструктивные особенности инструментов для обработки ППД роликами 210
6.2 Повышение надежности и долговечности работы деформирующего инструмента 214
6.2.1. Особенности силового взаимодействия деформирующих элементов с опорным конусом в ротационных инструментах 214
6.3. Обеспечение стабильности обработки при ППД 220
6.3.1. Обеспечение стабильности угла самозатягивания в ротационных инструментах. 221
6.3.2. Обеспечение стабильности усилия деформирования. 2 6.4. Основные положения и методика выбора конструктивных параметров инструмента и технологических режимов обработки при ППД 226
6.5. Оптимизация процесса обработки деталей ППД роликами и конструктивных параметров деформирующих инструментов 2 6.5.1. Общее представление об оптимизации технологических процессов и конструктивных параметров деформирующих инструментов. 234
6.5.2. Оптимизация обработки глубоких отверстий центробежным раскатыванием 235 6.5.3.Математическая модель определения конструктивных параметров центробежных раскатников и усилия деформирования 243 6.5.4. Раскатник центробежный рычажный 2 6.6. Оптимизация обработки глубоких отверстий совмещенным резанием и поверхностным пластическим деформированием роликами 250
6.7. Оптимизация обработки длинных валов и тонкостенных труб совмещенным резанием и поверхностным пластическим деформированием роликами 257
6.8. Прогрессивные инструменты для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием 267
6.8.1. Обкатник многороликовый постоянного усилия 267
6.9. Нанесение регулярного декоративного рельефа на длинномерные валы 273
6.10. Прогрессивные инструменты для обработки деталей ППД по авторским свидетельствам 280
Выводы по главе 6 285
Основные выводы и результаты работы 286
Список использованной литературы 289
- Взаимосвязь показателей качества поверхности деталей с конструктивно-технологическими параметрами и факторами обработки
- Определение формы и размеров деформирующих элементов по заданной форме и размерам контактной зоны
- Исследование контактных напряжений при постоянной нагруз ке действующей на деформирующий элемент
- Остаточные напряжения при обработке одинаковых по размерам отверстий и валов
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 гг, и на период до 2000 года" /I/ указано, что одним из главных направлений в реализации поставленных на ХХУП съезде КПСС задач является всемерное развитие машиностроения, совершенствование, разработка и освоение прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих возможность повышения производительности обработки и качества выпускаемой продукции.
Ежегодно в нашей стране выпускаются миллионы цилиндрических деталей. Только в объединениях "Карагандагормаш" и "Караганда-уголь* выпускаются ежегодно свыше 100 тыс, гидростоек и сотни шахтных комплексов, содержащих гидроцилиндры и штоки.
На финишных операциях при обработке таких деталей находит широкое применение один из наиболее простых и экономичных видов обработки - поверхностное пластическое деформирование (ШЩ). Применение этого метода позволяет существенно изменить качественное состояние поверхностного слоя, заключающееся в уменьшении шероховатости и создании заданного микропрофиля поверхности, повышении усталостной прочности, износостойкости трущихся поверхностей, увеличении контактной жесткости, ПДЦ нашло широкое применение во многих отраслях машиностроения при изготовлении деталей из углеродистой стали, чугуна, цветных металлов, а также закаленных сталей.
В настоящее время благодаря работам Азаревича Г.И., Алексеева П.Г., Браславского В.М., Жасимова М.М., Папшева Д.Д., Проскурякова Ю.Г., Рыжова Э.В., Руслова A*F., Чистосердова П,С. и других получены многочисленные результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ШЩ, позволяющие обоснованно подходить к назначению режимов и условий обработки.
Однако для ППД в целом и для обработки цилиндрических поверх-
ностей роликами и шариками в частности характерно, что окончательный результат формирования поверхностного слоя зависит от значительного количества конструктивно-технологических параметров. Это значительно затрудняет выбор оптимальных режимов обработки и геометрии деформирующих роликов. В связи с этим, как указывалось на семинаре по современным видам обработки металлов давлением/52/, несмотря на достаточную изученность процесса ППД для дальнейшего изыскания ресурсов повышения производительности и качества обработанной поверхности необходимо создание более строгих основ теории процессов поверхностного пластического деформирования металлов и совершенствование оборудования и инструментов для операций ППД, Эта задача может быть успешно решена на основе обобщения уже имеющегося экспериментального материала и исследования взаимосвязи между геометрией деформирующих роликов, их положением относительно детали, геометрией контактной зоны и физико-механическими процессами, протекающими в контактной зоне.
На важность проблемы определения взаимосвязи между геометрией деформирующих роликов и геометрией контактной зоны указывалось в работах Жасимова М.М., Коновалова Ё.Г., Лаптева Д.Д., Шнейдера Ю.Г., Школьника Л.М., Ящерицына П.Я. и других авторов.
Изменение геометрии роликов и их положения относительно детали вызывает изменение проскальзывания в контактной зоне между роликом и деталью. Влияние проскальзывания применительно к ППД мало-изучено, в то время как в литературе, относящейся к исследованию трения при качении роликов, имеются многочисленные сведения о том, что при трении, которым сопровождается качение, происходят существенные качественные изменения поверхности /17, 37, 48, 78, 80, 81/.
Изучение проскальзывания при ППД позволило бы найти резервы повышения качества и производительности обработки. Учет проскальзывания, кроме того, позволяет более полно определить напряженное
состояние в контактной зоне.
Напряженно-деформированное состояние в контакте между роликом и деталью ниаболее существенно влияет на показатели качества. При определении напряженного состояния используются положения и выводы теории упругости и пластичности /18, 63, 65, 68, 70/. При этом, как правило, рассматривается статическое внедрение ролика в обрабатываемую деталь, в то время как процесс деформирования при качении ролика является динамическим и характер деформации существенно отличается от статического вдавливания. Однако, если определена кинематика перемещения точек деформируемой поверхности, то это позволяет выразить усилие деформирования через перемещения или скорости точек деформированной поверхности.
Целью диссертационной работы является изыскание и использование резервов повышения производительности ПЦД при обеспечении заданного качества обработки.
Для реализации цели выполнены исследования в следующих направлениях:
исследована геометрия контактной зоны в зависимости от конфигурации, размеров и положения деформирующих роликов относительно поверхности детали (гл.2);
исследовано пластическое течение металла в контактной зоне (гл.З), получены зависимости для определения проскальзывания в контактной зоне (гл.З) и проведены экспериментальные исследования проскальзывания (гл.4);
на основе установленных зависимостей для пластического течения металла и проскальзывания, а также геометрии контактной зоны определено напряженное состояние в зоне контакта (гл.З), получены зависимости для вычисления усилия самозатягивания и количества тепла, выделяемого при упруго-пластическом деформировании (гл.З);
получены аналитические зависимости для определения глубины
8 упрочненного слоя для роликов произвольных размеров и конфигурации, в которых учтен характер распределения напряжений в области контакта и приведенная кривизна ролика и детали;
разработаны алгоритмы расчета на ЭВМ площади и объема контактной зоны, усилия деформирования, усилия самозатягивания, количества тепла, выделяемого в контактной зоне, глубины упрочненного слоя (приложение); разработана методика зыбора технологических параметров и геометрии роликов, обеспечивающих стабильное качество и производительность обработки;
произведен анализ работы инструмента в производственных условиях, выявлены его недостатки, показана необходимость изменения формы опорного конуса в роликовых раскатниках и обкатниках, разработаны конструкции более совершенных инструментов и устройств, обеспечивающих стабильное качество обработки при повышенной производительности (гл.5). Конструкции защищены авторскими свидетельствами на изобретения*
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Зависимости для определения геометрических параметров кон
тактной зоны: полуширины, объема, площади поверхности от радиуса
детали и произвольных размеров и конфигурации деформирующих роли
ков* Зависимости для определения размеров, конфигурации роликов
от заданной формы и размеров контактной зоны.
Зависимости для определения перемещений и скоростей пластического течения металла в контактной зоне и проскальзывания, напряженного состояния, выраженного через перемещения точек деформируемой поверхности, усилия деформирования, усилия самозатягивания и количества тепла, выделяемого в зоне контакта.
Методика и результаты экспериментального исследования проскальзывания.
Зависимости для определения глубины упрочненного слоя с
9 . учетом приведенной кривизны детали и ролика произвольной конфигурации, а также характера распределения напряженного состояния в контактной зоне.
5. Методика расчета оптимальной геометрии деформирующих роликов при заданных параметрах качества обработанной поверхности. Зависимость для определения оптимальной формы опорного конуса в роликовых раскатниках и обкатниках.
Научная^ндвизна^работы. Определены геометрические соотношения контактной зоны для роликов произвольных конфигурации и положения относительно поверхности детали, получены зависимости для их вычисления, исследовано пластическое течение металла, получены зависимости для вычисления поля перемещений и скоростей точек деформируемой поверхности, определено напряженное состояние в контактной зоне, доказано как теоретически, так и экспериментально наличие проскальзывания, определено влияние проскальзывания на шероховатость поверхности детали. Полученные аналитические зависимости для вычисления глубины упрочненного слоя позволяют учитывать размеры и конфигурацию деформирующих роликов, а также характер распределения напряжений в контакте. Обоснована оптимальная форма опорного конуса.
ЦШ*ическая^|ещость^еэ^л^ заключается в
разработке методик расчета геометрии контактной зоны для различных параметров обработки, расчета инструмента для ПОД, работающего в условиях режима самозатягивания, расчета размеров деформирующих роликов при заданной глубине наклепанного слоя.
Реалиэация_рез^льтатов_абдты. В объединениях *Карагандагор-маш" и "Карагандауголь* внедрены инструменты и устройства для обработки штоков и конусов цилиндров шахтных гидростоек и конусов длинномерных гидроцилиндров. В результате внедрения инструментов получено повышение производительности в 1,7 раза, а при обработке
10 цилиндров шахтной гидрокрепи обеспечена возможность обработки от верстий гидроцилиндров длиной до 7000 мм при заданном качестве поверхности.
Взаимосвязь показателей качества поверхности деталей с конструктивно-технологическими параметрами и факторами обработки
Из приведенных формул следует, что в них используются экспериментально определяемые поправочные коэффициенты, описывающие отдельно взятые случаи.
Усилие деформирования в рассмотренных методиках определяется применительно к ограниченному числу деформирующих элементов, имеющих в основном форму рабочей поверхности в виде тора или шара. В то же время наиболее распространенным в практике является применение конических роликов. Кроме того, приведенными уравнениями не охватывается объемное напряженное состояние материала и другие важные аспекты [42, 107, 113,116].
Предложенные формулы относятся, как правило, к обработке валов. Остается неясным насколько правомерным является применение представленных зависимостей в случае обработки отверстий или плоскостей.
Некоторые имеющиеся данные противоречивы, так как показывают, что при одном и том же усилии деформирования результаты обработки различны. Системное изложение теории и причинно-следственной связи между геометрическими параметрами деформирующих элементов произвольных типов и размеров, типом и размерами деталей, а также усилием деформирования, как правило, отсутствует.
Некоторые авторы [5, 13, 52, 72] предлагают выражать протекание процесса ППД через среднее давление в контакте. Однако, если одновре менно увеличивать силу деформирования Р, то при этом в одной и той же пропорции увеличивается площадь контакта S. Следовательно, среднее давление практически будет меняться незначительно. Кроме того, один и тот же по площади контакт может быть разным по форме, например удлиненным в окружном или продольном направлениях. Это приведет к различным условиям процесса деформирования. По мере увеличения нормальной силы при ППД способность металла к деформированию, очевидно, будет исчерпана. При дальнейшем увеличении силы будет разрушаться поверхностный слой, резко увеличивается шероховатость обработанной поверхности, возникнет шелушение и перенаклеп.
Следует отметить, что авторами [4, 5, 13, 39,41,44, 128,146] рассматривается упругое напряженное состояние между роликом и деталью при их неподвижном контакте, тогда как при деформировании поверхности детали вращающимся деформирующим элементом возникает упругопластическая деформация.
Во многих работах используются приведенные диаметры или радиусы, а эллиптическая поверхность контакта аппроксимируется круговой площадкой [142,144]. При переходе к другим типам роликов, отличающихся от шаровых и тороидальных, форма контакта будет меняться, а следовательно, изменится и закон распределения давлений в контактной зоне.
Обращает на себя внимание, что в литературе практически не встречаются работы, в которых рассматривались бы вопросы взаимосвязи усилия деформирования с глубиной внедрения деформирующих элементов. В то же время, одними из наиболее распространенных разновидностей обрабатывающего инструмента являются ротационные раскатники и обкатники сепараторного типа, которые настраиваются перед обработкой именно на определенный заданный размер. Разность между настроенным на обработку радиусом описываемой роликами окружности и диаметром детали является глубиной внедрения. Как показывают наблюдения в производственной практике, процедура настройки осуществляется методом пробных проходов и визуальным определением шероховатости.
Таким образом, задача получения необходимой глубины упрочнения или заданных остаточных напряжений при описанном подходе не может быть в настоящее время корректно решена.
Глубина и степень упрочнения являются одними из важнейших показателей качества поверхности, формируемой при ПГТД [2, 5, 11, 13, 22, 37, 41, 52, 62, 94, 114 и др.]. Они определяют повышение твердости поверхностного слоя и, соответственно, эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий. Экспериментами установлено [1, 3, 5, 13, 52, 72, 75], что глубина упрочненного слоя и распределение остаточных напряжений по глубине зависят от размеров детали и деформирующих элементов, глубины внедрения деформирующего элемента в деталь, усилия деформирования, механических характеристик материала детали, формы деформирующего элемента.
Аналитическому определению глубины упрочнения посвящены работы многих известных авторов. Существуют следующие зависимости для ее определения [144]:
При выводе этой формулы анализировалось упругое состояние детали без учета пластической деформации, когда напряжения заведомо превосходят предел текучести материала. Сам автор, принимая такую расчетную схему, указывал, что "при возникновении пластических деформаций в непосредственном соседстве с границей, отделяющей зону пластических деформаций от зоны упругих деформаций, будет перераспределение упругих напряжений". Однако, несмотря на ряд допущений, принятых при выводе приведенной формулы, она показала приемлемую точность для инженерных расчетов, а простота формулы обеспечила ей широкое применение. Следует отметить, что эта формула применялась главным образом для контакта небольшой площади, имеющей форму, близкую к круговой и при значениях приведенной кривизны соприкасающихся поверхностей 1/R (0,4...0,5) мм"1. С увеличением радиусов детали и роликов расхождение между расчетами и экспериментальными данными увеличивается. Поэтому Кудрявцев И. В. и Петушков Г. Е. уточнили влияние размеров роликов и детали введением в формулу в качестве сомножителя коэффициента со [64]:
Определение формы и размеров деформирующих элементов по заданной форме и размерам контактной зоны
Исследование процесса упруго-пластического деформирования предполагает на первом этапе установление геометрических параметров контактной зоны, так как физико-механические процессы и качественное преобразование поверхностного слоя происходит в ее пределах. Как правило, при изучении геометрических параметров контактной зоны определяют одного параметра - площади контакта, полагая, что она является доминирующим показателем, определяющим результаты обработки ППД.
Условимся в дальнейшем считать деформирующим элементом любое тело вращения, в частном случае конкретизированный деформирующий элемент будем называть для простоты изложения - роликом.
Контакт между деформирующим элементом и деталью кроме площади контакта характеризуется и другими параметрами. К ним относятся: изменение полуширины контакта по его длине (уравнение контурной линии контакта), максимальная полуширина и длина контакта, изменение глубины внедрения деформирующего элемента по линии его максимального нагружения, объем металла, вытесняемый из-под деформирующего элемента, площадь поверхности контакта (площадь части деформирующего элемента, находящегося в контакте с поверхностью детали).
Эти геометрические параметры определяют характер распределения деформаций и напряжений по площади контакта, усилие деформирования и непосредственно зависят от геометрических параметров деформирующих элементов, размеров и вида поверхности детали (вал, отверстие, плоскость), механических свойств обрабатываемого металла и глубины внедрения деформирующего элемента в обрабатываемую поверхность. Определение геометрические параметры контактной зоны при ППД в подавляющем числе расчетных зависимостей относится к деформирующим элементам, имеющим простейшую форму рабочей поверхности: шара, тора, цилиндра, прямого кругового конуса или сочетания этих поверхностей. Форма контакта в этих случаях представляет собой эллипс или прямоугольник. При определении геометрии контакта отсутствует методологическое единство решения данной задачи, что затрудняет всесторонний анализ полученных зависимостей. Наряду с этим существует проблема нахождения оптимальной формы и размеров деформирующих элементов, обеспечивающих наилучшие условия обработки с точки зрения одновременного обеспечения принятых критериев по производительности и качеству поверхностного слоя. Актуальность решения данной проблемы очевидна.
Следовательно, для анализа влияния геометрических параметров деформирующих элементов и технологических факторов обработки на производительность и качество поверхностного слоя необходимо установить универсальную математическую зависимость между конструктивными параметрами деформирующих элементов, размерами и видом обрабатываемой поверхности, технологическими факторами обработки, геометрическими параметрами контактной зоны и качеством поверхности детали при обработке ППД.
Очевидно, что все параметры контактной зоны, перечисленные выше, определяются через закон изменения полуширины контакта по его длине и закон изменения глубины внедрения деформирующего элемента по линии максимального нагружения, которые в свою очередь зависят от радиуса обрабатываемой детали, формы и размеров деформирующего элемента, а также от глубины его внедрения в деталь. При решении поставленной задачи необходимо принять некоторые допущения.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что деформирующие элементы при ППД с точностью до нескольких процентов можно считать достаточно жесткими. Это допущение упрощает разработку математической модели, так как не требует учета на геометрию контакта упругих деформаций деформирующего элемента. Предположим также, что между поверхностями деформирующего элемента и детали нет схватывания, материал детали является упруго-пластичным. При деформировании материал детали является сплошным и не имеет разрывов, деформирующий элемент обладает твердостью намного больше, чем обрабатываемая деталь [3, 13, 39, 41,53,72,138,143].
При решении задачи необходимо учесть, что оси деформирующих роликов при обработке поворачивают по отношению к оси детали на угол внедрения и самозатягивания. Угол внедрения необходим, чтобы создать каплевидную форму контакта, а угол самозатягивания способствует снижению осевых сил за счет перемещения деформирующего элемента по винтовой линии на поверхности детали, а в ряде случаев используется для обеспечения самозатягивания инструмента.
Отличие статического внедрения деформирующего элемента при упругом деформировании тел с одинаковыми механическими свойствами и упру-гопластическим деформированием при его качении по упругопластической поверхности заключается в том, что в первом случае (рис. 2.1,а) контакт является плоской фигурой, так как тела деформируются одинаково и имеют практически одинаковые механические свойства. Во втором случае (рис.2.1,6) деформирующий элемент, имеющий большую твердость, внедряется в деталь на некоторую глубину, значение которой определяется величиной приложенного усилия, размерами деформирующих элементов и механическими свойствами деформируемой поверхности
Рассчитаем деформацию деформирующего элемента при его сжатии двумя противоположными силами. Уменьшение диаметра цилиндрического деформирующего элемента, расположенного между двумя сжимающими его гранями, с учетом контактных и общих деформаций определяется по формуле [163]
Исследование контактных напряжений при постоянной нагруз ке действующей на деформирующий элемент
Упруго-пластическое течение металла в очаге деформации является основной причиной качественного преобразования поверхностного слоя при ППД. Накатывание деформирующими элементами относят к статическим процессам [3, 14, 37, 70]. Такое определение подразумевает неизменность усилия деформирования на всем протяжении обработки. Тем не менее, процесс протекает с определенной скоростью. Деформирующий элемент все время воздействует на новые участки поверхности, вызывая перемещение ее точек по определенным отрезкам траекторий. Причем движение каждой отдельной точки деформируемой поверхности не является стационарным, а протекает с некоторой переменной скоростью.
В связи со сложностью и трудностью выявления математических зависимостей для описания протекания поверхностного пластического деформирования, а также большого количества взаимосвязанных величин, определяющих как условия, так и результаты обработки, многие исследователи прибегают к замене кинематических соотношений процесса деформирования статическим вдавливанием деформирующего элемента в обрабатываемую поверхность [6, 14, 44].
Один из методов исследования контактных зон в очаге деформации заключается в определении перемещения точек деформируемой поверхности с дальнейшим установлением связи перемещений с деформациями, а затем деформаций с напряжениями.
Характер перемещения металла в поверхностном слое определяется с точностью до граничных условий протекания процесса на поверхности контакта деформирующего элемента с обрабатываемой деталью.
В большинстве исследований [2, 4, 5, 15, 52, 74 и др.] изучение физико-механических явлений в очаге деформации сводится к определению усилия деформирования или контактных напряжений, распределенных по площади контакта, а затем через закон распределения контактных напряжений устанавливаются зависимости, описывающие качественное изменение поверхностного слоя. В случае решения статической контактной задачи для расчета деформаций используются математические модели, взятые из теории упругости. В них принимается, что максимальные напряжения в наиболее нагруженной точке контактной зоны превышают предел текучести на определенную величину. При этом наблюдается большое расхождение в оценке максимальных напряжений - от двух до двенадцатикратного превышения максимальных напряжений над пределом текучести. Далее полагают, что интеграл от распределения напряжений по площади контакта должен быть равен нормально направленному к обрабатываемой поверхности требуемому усилию деформирования. Однако вопрос об однозначности такого решения до настоящего времени полностью не выяснен.
Между напряжениями и деформациями существует определенная взаимосвязь, поэтому первоначально необходимо определить деформации, что оказывается возможным, если известны перемещения точек деформируемой поверхности. Сами деформации определяются дифференцированием кинематических зависимостей перемещений точек деформируемой поверхности по координатным осям.
С точки зрения механики твердого тела рассматриваемая задача относится к неустановившемуся движению деформируемой среды, по поверхности которой катится деформирующий элемент. С другой стороны, все трудности контактных задач механики осложняются необходимостью учета касательных усилий, действующих на поверхности контакта. Кроме того, большинство контактных задач решалось в основном для упругих тел [3, 6, 15, 26, 37, 41, 52, 62, 76 и др.]. Для неупругих тел сами законы их поведения недостаточно выяснены. С целью получения теоретических результатов приходится при изучении особенностей контактирования тел, одно из которых является упругим, а другое упругопластическим, делать ряд допущений для того, чтобы выявить наиболее существенные факторы, а затем использовать полученные данные в теоретических исследованиях и инженерных расчетах.
Начнем изучение закономерностей процесса упругопластического деформирования в зоне контакта с установления траекторий, по которым перемещаются точки обрабатываемой поверхности. Металл вытесняется деформирующим элементом в направлении от центра контактной зоны к периферии. Установление особенностей течения металла может быть основано на понятии о связях, наложенных на материальные точки, которые расположены на заданной поверхности, в данном случае на контактной поверхности деформирующего элемента. При условии наложения связей действительные перемещения точек поверхности детали в выбранной системе координат равно геометрической сумме их совместного перемещения с соприкасающимися точками деформирующего элемента и дополнительного смещения этих же точек относительно его поверхности. Вторая составляющая является проскальзыванием. Проблема заключается в установлении составляющей проскальзывания. Под воздействием приложенного к ролику усилия деформирования проскальзывание вызывает касательные напряжения и трение в зоне контакта.
Составляющую проскальзывания не удается определить из кинематики процесса: она зависит от ряда особенностей пластического течения металла в зоне деформации, технологических факторов и геометрических параметров деформирующих элементов.
Остаточные напряжения при обработке одинаковых по размерам отверстий и валов
Развитие и расширение методов обработки деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) обусловлено требованиями непрерывного повышения эксплуатационных характеристик машин. Процесс деформирования сопровождается значительными силами, действующими на деформирующий элемент, которые вызывают структурные изменения в деформированном слое. Учет влияния этих сил на качество поверхности базируется на разработке основ расчета с приемлемой для практических применений точностью.
При обработке деталей поверхностным пластическим деформированием в материале детали происходят необратимые пластические деформации, результатом которых является качественное изменение материала детали, в частности упрочнение поверхностного слоя. Глубина упрочненного слоя может быть рассчитана теоретически на основе математических моделей. В большинстве математических моделей [2, 14, 38, 39, 45, 52, 62, 94], глубина упрочнения определяется в зависимости от сосредоточенной силы или площади контакта, имеющих форму круга или эллипса. Некоторые другие расчетные зависимости построены на основе обобщения и использования результатов экспериментальных исследований и содержат коэффициенты, учитывающие механические свойства материалов частных случаев обработки.
Поэтому, при расчетах глубины упрочнения для различных материалов и деформирующих инструментов, образующих при обработке контактные зоны произвольных размеров и форм, необходимы дополнительные исследования.
Одной из первых расчетных зависимостей для определения глубины упрочнения является формула Хейфеца, полученная на основе решения упругой контактной задачи с допущением, что сила деформирования приложена к поверхности детали в точке [142] где Ру - усилие деформирования; ат - предел текучести обрабатываемого материала.
В результате экспериментальной проверки было обнаружено, что приведенная зависимость с достаточной степенью точности подтверждается только при обработке деталей с относительно малыми радиусами (5... 15 мм) и при значительных усилиях, действующих на деформирующий элемент. При обработке валов большего диаметра, а также с увеличением размеров деформирующего элемента и усилий деформирования результаты экспериментальных исследований оказываются завышенными на 30.. .50 %. Однако причина такого расхождения так и не была установлена. Чтобы устранить несовпадение между теоретическими и экспериментальными данными, И. В. Кудрявцевым и Г. Е. Петушковым [62] предложена эмпирическая поправка, в результате чего формула (4.1) была преобразована к виду:
Следует подчеркнуть, что приведенные зависимости, также как и формулы других авторов, рассмотренные в первой главе, относятся к случаям первоначального точечного контакта упрочняющей детали и инструмента, а в качестве деформирующего усилия используется сосредоточенная сила, не существующая в реальных условиях. В качестве деформирующих элементов при этом применялись шарики и профильные (тороидальные) ролики. Возможность использования полученных результатов на другие типы деформирующих элементов, уравнения образующих которых отличаются от дуг окружностей, остается нерешенной задачеШоскольку при обработке ПЦЦ деформирующие элементы контактируют с обрабатываемой деталью по определенной площади, то необходимо искать решение от распределения напряжений по площади контакта.
Известны различные математические модели, описывающие распределение напряжений в теле детали от приложенной к ее поверхности нагрузки. Одним из наиболее известных решений для расчетов распределения напряжений в теле детали от сосредоточенного усилия, приложенного к поверхности полубесконечного тела, является уже рассмотренная в первой главе следующая система уравнений:
Рассмотрим уравнение (4.5) из приведенной системы уравнений. Предположим, что на некоторой глубине hy напряжение ау достигает предела текучести от, а рассматриваемая точка расположена на линии действия сосредоточенной силы Р. Это соответствует условию г = 0. Выполнив необходимые преобразования, получим
Это фактически та же формула (4.1). Полученный результат позволяет определить источники расхождения расчетных значений, выполненных по формуле (4.1), с экспериментальными данными. Это происходит по следующим причинам:
