Содержание к диссертации
Введение
1. Остаточные напряжения и деформации в изделиях из упрочненного металла
1.1. Использование упрочненного металла при изготовлении деталей машин 9
1.2. Основные причины искривления и искажения формы деталей машин 11
1.3. Актуальность проблемы снижения остаточных напряжений 14
1.4. Методы регулирования остаточных напряжений. 20
1.5. Методы определения остаточных напряжений и деформаций в цилиндрических деталях 27
1.6. Распределение остаточных напряжений по сечению цилиндрических деталей 37
1.7. Выводы, цель работы и задачи исследования 45
2. Аналитическое определение остаточных напряжений при охватывающем упрочнении валов
2.1. Анализ локальных и охватывающих схем деформирования цилиндрических изделий 48
2.2. Методика расчета остаточных напряжений 51
2.3. Решение упругой задачи 52
2.4. Решение упругопластической задачи 62
2.5. Результаты расчета остаточных напряжений 69
3. Методика экспериментального определения остаточных деформаций и напряжений в гладких валах
3.1. Расчетные зависимости для определения остаточных напряжений в цилиндрических валах 78
3.2. Технология механической обработки образцов при определении остаточных напряжений 85
3.3. Измерение деформаций при механической обработке цилиндрических образцов 88
3.4. Статистическая обработка результатов эксперимен тов 90
4. Влияние охватывающего упрочнения на остаточное напряженно-деформированное состояние цилиндрических заготовок
4.1. Влияние степени относительного обжатия на формирование остаточных напряжений 96
4.2. Влияние охватывающего деформирования на изменение начальных остаточных напряжений 104
4.3. Влияние остаточных напряжений на стабильность формы маложестких валов 111
4.4. Влияние охватывающего деформирования на изменение остаточных напряжений в выправленных заготовках 117
4 5. Разработка практических рекомендаций по снижению искривления маложестких валов из калиброванной стали
Общие выводы по работе 152
Список литературы 154
Приложения
- Основные причины искривления и искажения формы деталей машин
- Методика расчета остаточных напряжений
- Технология механической обработки образцов при определении остаточных напряжений
- Влияние охватывающего деформирования на изменение начальных остаточных напряжений
Введение к работе
Повышение качества, надежности и долговечности технических изделий - одна из центральных проблем современного машиностроения. При изготовлении длинномерных деталей типа валов, осей, штанг широко используют в качестве заготовок калиброванный металл. Холоднотянутые прутки обладают рядом достоинств: высокая точность и стабильность диаметрального размера по длине заготовки, высокое качество поверхности, достаточно высокие, по сравнению с горячекатаными заготовками, характеристики прочности.
По мере создания все более прочных материалов в современном машиностроении происходит естественное снижение металлоемкости продукции. Вследствие этого сформировался большой класс нежестких деталей широкой номенклатуры: валы, оси, ходовые винты, шпиндели станков, штоки гидроцилиндров и т.д. Причем более половины нежестких изделий составляют детали типа валов. Как правило, эти детали ответственного назначения, к качеству которых предъявляются высокие требования. Одним из важнейших технологических показателей качества изделия, обеспечение которого вызывает значительные трудности, является точность.
Механическая обработка маложестких валов является малопроизводительной и трудоемкой операцией. При изготовлении осей и гладких валов целесообразно использовать в качестве заготовок калиброванный металл, т.к. в этом случае механической обработке подвергаются только отдельные участки вала. В автоматизированном производстве высокая точность диаметрального размера и высокое качество поверхности цилиндрических прутков используют для закрепления заготовок в цанговых патронах металлорежущих станков.
Несмотря на ряд достоинств, калиброванный металл не нашел в настоящее время должного применения в технологии машиностроения. При обработке такого материала очень часто возникают дефекты в виде искрив- ления, растрескивания, разрушения. Основной причиной таких отрицательных явлений считаются остаточные напряжения, которые формируются на этапе холодной обработки металла давлением.
При нарушении равновесия остаточных напряжений в объеме тела (удаление части металла, неравномерные температурные или силовые поля) происходит их перераспределение за счет изменения формы изделия (искривление, искажение, растрескивание). Следовательно, наличие остаточных напряжений в заготовках деталей машин с точки зрения точности изготовления и стабильности формы изделий можно считать отрицательным фактом.
Проблема повышения точности путем снижения технологических остаточных деформаций продолжает оставаться актуальной, несмотря на то, что способность деталей деформироваться при нарушении их равновесного напряженного состояния была обнаружена Н.В. Калакуцким еще в конце 19 века.
Для снятия внутренних напряжений в заводской практике широко используют термические процессы, но для холоднодеформированных заготовок их рекомендовать нельзя. Во-первых, это длительные технологические операции, которые требуют специального дорогостоящего оборудования, а во-вторых, нагрев металла приводит как к снижению характеристик прочности, так и к повреждению поверхности заготовки, которое обусловлено появлением окалины.
Существенно снизить начальные остаточные напряжения в длинномерных деталях типа стержней можно путем использования пластического растяжения. Однако безвозвратное повреждение концов изделия делает этот способ пригодным только в условиях заготовительных операций, когда поврежденные участки можно обрезать. Экономически выгодно повышать качество калиброванного металла за счет оптимизации параметров существующего технологического процесса, не требующих значительных дополнительных капиталовложений.
Исследованием качества калиброванного металла занимались отечественные и зарубежные ученые: СИ. Губкин, Г.С. Гун, С.А. Зайдес, Г. Закс, А.Г. Медведев, О. Повельски, Н.И. Шефтель и другие. Выполненные исследования касались в основном изделий и проблем металлургического производства - изучение причин разрушения, растрескивания, искривления холодного проката. Свойства и поведение калиброванного металла на стадии машиностроительного производства рассматривались весьма ограниченно. В частности, до сих пор остался открытым вопрос повышения стабильности изделий из упрочненных заготовок. В результате литературного обзора было установлено, что ответственность за ряд дефектов изделий из калиброванной стали может лежать на остаточных напряжениях, которые формируются на стадии заготовительных операций.
Проблемой изучения остаточных напряжений занимались многие ученые: О. Бауэр, И.А. Биргер, Ф.Ф. Витман, Л.А. Гликман, Н.Н. Давыденков, Г. Закс, Ю.И. Замащиков, И.А. Перлин, А.И. Промптов, О. Хейн и многие другие. В этой области к настоящему времени получены многие важные результаты. Усовершенствованы методики выполнения экспериментов, разработаны новые способы определения остаточных напряжений, получены аналитические зависимости для определения напряжений при условии простого на-гружения. Однако разработка технологии изготовления маложестких деталей машин с минимальным уровнем остаточных напряжений до сих пор во многих случаях остается актуальной.
В первом разделе изложены теоретические и технологические вопросы обеспечения качества маложестких валов, изготовляемых из холоднотянутого проката. По результатам обзора публикаций, посвященных изучению этого процесса, сформулирована цель и задачи работы.
Во втором разделе представлен теоретический подход к определению напряженно-деформированного состояния в очаге пластической деформации и остаточных напряжений в готовых изделиях.
Третий раздел посвящен изложению методики экспериментального определения остаточных напряжений в упрочненных цилиндрических телах.
В четвертом разделе представлены результаты экспериментального определения остаточных напряжений в заготовках и готовых изделиях. Предложен подход к решению вопроса по снижению начальных остаточных напряжений и напряжений, возникающих после поперечной правки изгибом.
В пятом разделе рассмотрены практические рекомендации по управлению технологическими остаточными напряжениями при охватывающем ППД.
По результатам выполненной работы автор выносит на защиту следующие положения:
Математический аппарат для расчета остаточных напряжений при охватывающем деформировании цилиндрических деталей.
Методику неразрушающего способа определения остаточных напряжений, основанную на регистрации оптических волн от пластического отпечатка.
Результаты исследования остаточных напряжений в изделиях, упрочненных охватывающим деформированием.
Способ повышения геометрической стабильности маложестких валов из калиброванной стали.
Основные причины искривления и искажения формы деталей машин
Основной причиной изменения формо-размеров изделий является перераспределение в них остаточных напряжений в результате нарушения равновесного состояния в системе остаточных напряжений под влиянием внешнего силового упруго-пластического воздействия или из-за релаксации напряжений при хранении и эксплуатации [15]. Релаксация остаточных напряжений - одна из основных причин потери изделиями начальной геометрии и размеров. Вызванные остаточными напряжениями упругие деформации го-степенно самопроизвольно переходят в пластические, что сопровождается частичным или полным снятием первичных микронапряжений. В связи с неравномерностью протекания релаксации из-за различного уровня остаточных напряжений в различных участках полуфабриката одни из участков получают большую, а другие меньшую пластическую деформацию. Это приводит к искажению формы изделия и изменению его размеров.
Внешние упругие нагрузки и тепловое воздействие в условиях эксплуатации или хранения ускоряют процессы релаксации остаточных напряжений. При температуре 18-20С и напряжениях, меньших критического сопротивления сдвигу, снятие остаточных напряжений идет довольно медленно и может длиться многие месяцы. При высоких температурах энергия атомов повышается, вследствие чего внутренние микро- и макронапряжения релаксируют быстро. Смещения атомов происходят в результате диффузии, которая под влиянием остаточных напряжений имеет направленный характер [15].
Диффузионно-пластическому процессу особенно подвержены локализованные микронапряжения и искажения. Отметим, что изменение формо-размеров при релаксации остаточных напряжений в металлических полуфабрикатах обусловливает коробление и поводки, припуски, и, в конечном итоге, - нерациональное расходование металла. Изменение формо-размеров изделий ведет к нарушению работоспособности узлов и агрегатов, а в результате - к авариям и катастрофам [81, 112, 86].
Точность механической обработки характеризуется, как известно, величиной отклонений от заданных размеров, геометрической формы, относительного расположения поверхностей и других технических требований [104]. Точность необходима не только для непосредственного выполнения изделием служебного назначения, но и является одной из предпосылок длительной его эксплуатации. Достижение заданной точности нежестких деталей сопряжено со значительными трудностями из-за возникновения технологических упругих и остаточных деформаций.
При выполнении технологического процесса, связанного со снятием припуска или неравномерным по сечению пластическим деформированием, исходное равновесие остаточных напряжений нарушается, что вызывает их изменение до наступления нового равновесного состояния.
Перераспределение остаточных напряжений сопровождается изменением первоначальной геометрической формы изделия - его короблением. Таким образом, остаточные напряжения и остаточные деформации представляют собой два неразрывно связанных явления, сопровождающие превращение заготовки в готовую деталь, а их образование и изменение в ходе технологического процесса определяются одними и теми же факторами.
Заданная точность различных машин и механизмов, а зачастую и их работоспособность зависят не только от точности изготовления, но и от сохранения их базовыми деталями первоначальной формы в дальнейшем. Самопроизвольное изменение формы деталей во времени определяется двумя факторами: - релаксацией и перераспределением технологических остаточных напряжений; - нестабильностью фазового и структурного состояния материала
Как вытекает из анализа приведенных выше факторов, определяющих коробление деталей и конструкций при их изготовлении, длительном хранении и эксплуатации, основными задачами стабилизирующей обработки должны быть снижение и перераспределение остаточных напряжений с целью достижения более устойчивого равновесного состояния.
Технологические методы снижения коробления деталей основаны на использовании различного по характеру приемов и средств пластического деформирования. Поскольку остаточные напряжения являются следствием неоднородных пластических деформаций, и они могут быть устранены или уменьшены только в результате пластических (или микропластических) деформаций.
Методика расчета остаточных напряжений
Рассмотрим аналитическое решение задачи по определению компонент тензора остаточных напряжений в цилиндрических заготовках, возникающих при охватывающем деформировании матрицей с конусной рабочей частью.
Моделируя условие деформации цилиндра при охватывающем упрочнении, как обжатие цилиндра внешним давлением с заданными контактными напряжениями, можно, воспользовавшись теорией упругопластических деформаций и теоремой о разгрузке, рассчитать остаточные напряжения в упрочненном изделии.
С использованием линейной теории упругости задача решается методом последовательных приближений, предложенным И.А. Ильюшиным [43].
В основе расчета пластических деформаций лежит кривая деформирования, полученная при испытании на растяжение образцов (сталь 35). Для аналитического описания диаграммы деформирования в области упругопластических деформаций используем диаграмму с линейным упрочнением. При заданных значениях механических и физических величин решается упругая задача, и определяются величины напряжений. По найденным значениям напряжений определяются обобщенные величины модуля упругости (Е) и
коэффициенты Пуассона (V), которые используются на следующем этапе определения напряжений. Как только разность результатов двух последовательных этапов итерационного процесса достигнет заданной точности вычисления, то процесс решения прекращается, и по теореме Генки рассчитывают остаточные напряжения. При этом, учитывая, что процесс разгрузки происходит не одновременно по сечению заготовки, определяли границу пластической и упругой зон, где и происходит формирование остаточных напряжений.
Исходные данные и принятые обозначения (рис. 2.3): dj, d2 — начальный и конечный диаметр заготовки, Г — текущий радиус, F - усилие деформирования, (X - полуугол рабочего конуса матрицы, 1 -длина калибрующей части матрицы, Е - модуль упругости, R - модуль упрочнения, Су - предел текучести, V - коэффициент Пуассона, Т - касательное напряжение.
Принятые допущения: - касательные напряжения равномерно распределены по длине очага деформации; - упругие и пластические деформации достаточно малы, что позволяет применить геометрически линейную теорию деформаций; - процесс деформации является изотермическим.
Процесс протягивания цилиндрической заготовки через коническую матрицу с калибрующей частью заменен процессом его радиального обжатия, а разгрузка моделируется одновременным снятием со всей контактной поверхности радиального напряжения ТГ. Предполагается, что разгрузка происходит одновременно во всем объеме тела и не сопровождается вторичными пластическими деформациями.
Рассмотрим напряженное состояние заготовки под действием опоясывающего давления Ог (рис. 2.3) и усилия деформирования F , которое возникает при протягивании заготовки через коническую матрицу. ческой зоны напряженное состояние по очагу более равномерно и понижается от периферийных слоев к центру.
Весьма важным результатом исследования является определение глубины пластической проработки металла при осесимметричном деформировании. Толщина пластического слоя определена расчетным путем по значениям интенсивности напряжений G\. Зоны, в которых 0\ GT считались пластически деформированными. Установлено, что толщина такого слоя существенно зависит от степени относительного обжатия и длины калибрующей части матрицы (рис. 2.11). Охватывающее деформирование позволяет получить сквозное пластическое деформирование цилиндрической заготовки. Так, для заготовок диаметром 30 мм такая пластическая деформация по сечению достигается при относительном обжатии 0,25 % и длине калибрующей части 15 мм, или при относительном обжатии 0,6 % и длине 1К = 4 мм. Используя результаты рис. 2.11, можно рекомендовать условия деформирования для получения заданной глубины пластической зоны. Кроме того, результаты расчета позволяют разграничить два технологических процесса -поверхностную пластическую деформацию (ГТПД) и калибровку. Это разделение важно как для оценки напряженно-деформированного состояния металла, так и для рекомендаций по использованию в расчетах соответствующих теорий упругости или теории пластичности.
Технология механической обработки образцов при определении остаточных напряжений
Условия упрочнения валов. Остаточные напряжения определяли в цилиндрических заготовках из стали 35 диаметрами 30-32 мм, упрочненных с максимальным относительным обжатием 11 %.
В лабораторных условиях протягивали заготовки длиной 400 мм на гидравлической испытательной машине «Amsler» со скоростью от 20 до 120 мм/с. Для предотвращения искривления образцов было использовано приспособление с плавающей опорой для установки матрицы. Для проверки влияния остаточных напряжений от предшествующих операций на конечные результаты часть заготовок горячекатаного проката до упрочнения отжигали.
В заводских условиях заготовки длиной шесть метров протянуты на цепных волочильных машинах со скоростью 0,5 м/с. Для деформирования использованы твердосплавные матрицы ВК8, запрессованные в стальные обоймы. Угол рабочего конуса матрицы составлял 6-8 градусов. В качестве технологической смазки применяли сухой порошок натриевого мыла.
Размеры образцов и технология удаления слоев. Из упрочненных заготовок вырезали образцы, длину которых определяли с учетом краевого эффекта (Oz=0) на его торцах. При малой величине цилиндра остаточные напряжения получаются заниженными, в связи с чем весьма важным является установление такой наименьшей длины образца при которой погрешность результатов окажется уже незначительной.
По данным Г. Бюлера [10], остаточные напряжения существенно не искажаются, если длина цилиндра больше двух диаметров. Результаты опытов [36] для образцов диаметром 36 мм (сталь А12) показали, что компоненты напряжений не изменяются при относительной длине их (І/d), равной 2,5.
Для повышения надежности опытных данных приняли 1 —2,8d.
Для растачивания цилиндров использовали приспособление (рис. 3.4), которое значительно снижало возможные деформации при закреплении образцов в трехкулачковом патроне и обеспечивало необходимую точность при удалении концентрических слоев металла.
Режимы резания при сверлении и растачивании. Режимы резания непосредственно влияют на нагрев металла и на изменения остаточных напряжений в изделиях [123]. Поэтому были установлены условия сверления и растачивания образцов, исключающие влияние процесса удаления материала на остаточные напряжения в упрочненных заготовках.
С этой целью для расточки цилиндров применяли резцы с отрицательным передним углом, а для уменьшения области распространения остаточных напряжений от сил резания передний угол инструмента затачивали по фаске и уменьшали радиус закругления его вершины. Выбор режимов резания оценивали по температуре в градусах Цельсия, возникающей в зоне обработки [51, 52]: где Со - коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого материала на температуру резания; V - скорость резания, м/мин; S - подача за один оборот, мм/об; t - глубина резания, мм; ф - главный угол в плане, град; Г - радиус закругления при вершине резца, мм; А - площадь сечения тела резца, мм2; m,a,6,K,q,p,l - показатели степени, зависящие от условий обработки материала, режимов резания и т.д.
Влияние охватывающего деформирования на изменение начальных остаточных напряжений
Результаты опытов, полученных в разделе 4.1, свидетельствуют, о том, что охватывающее ППД позволяет существенно изменять характер распределения и величину остаточных напряжений в объеме деформированного тела. Эксперименты были выполнены на образцах, не имеющих начальных остаточных напряжений. В этом разделе рассмотрен вопрос об изменении начальных остаточных напряжений при воздействии на заготовку охватывающего 111ІД.
Данные эксперименты, по сравнению с предыдущими, технически намного сложнее, так как потребовалось изготовить комплект матриц, отличавшихся диаметральным размером цилиндрического участка. Рабочий канал матриц, которые изготавливали из стали ШХ-15, обработан за одну установку. Любая переустановка заготовки матрицы приводила к нарушению соосности рабочей зоны и к отклонению от округлости рабочих и калибрующих участков.
Для формирования начальных остаточных напряжений в заготовке из стали 35 использовали охватывающее деформирование с относительно большим обжатием (Q=5 %), которое гарантировало (по данным работы [36]) получение в поверхностных слоях остаточных напряжений растяжения.
На гидравлической разрывной машине «Amsler» с обжатием 5 % было протянуто 6 образцов длиной 300 мм и конечным диаметром 30,75 мм. В качестве смазки использовали сухой порошок натриевого мыла. Один образец был оставлен как исходный, остальные (под номером 2-6) были дополнительно обработаны охватывающим ППД (см. табл. 4.2). После этого из каждого образца вырезали по 3 цилиндра, в которых определяли остаточное напряжение по методике, изложенной в разделе 3.
Распределение остаточных деформаций представлено на рис. 4.5. Результаты механической обработки упрочненных образцов показали, что наибольшие остаточные деформации сжатия появляются при упрочнении цилиндров с обжатием 5 %. Повторное деформирующее протягивание с обжатием 1,2 % этого же образца, незначительно влияет на изменение начальных остаточных напряжений (см. рис. 4.6 и 4.7).
При обжатии 0,30 и 0,50 % тангенциальные деформации в поверхностных слоях из сжимающих преобразовались в растягивающие. Эти закономерности сказываются и на остаточных напряжениях.
Влияние охватывающего деформирования на изменение начальных остаточных напряжений нельзя оценивать однозначно (рис. 4.6 и 4.7). В одних случаях получено снижение начальных остаточных напряжений растяжения (Q=0,15 %), в других - даже формирование сжимающих напряжений (Q=0,3 %). Есть и обжатия (Q=l,20 %), при которых исходные остаточные напряжения практически не изменяются. Следует отметить, что в данных опытах эффективное влияние на напряженное состояние заготовки оказывают даже обжатия с малой степенью деформации. Это подтверждает ранее высказанное предположение о роли микронеровностей при охватывающем ППД. Начальная пластическая деформация с обжатием 5 % сгладила исходные микронеровности, снизив тем самым их влияние на изменение напряженного состояния при повторном упрочнении.
На рис. 4.8 представлено влияние степени относительного обжатия на величину осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях заготовки после воздействия охватывающего ППД на начальное напряженное состояние. На этих кривых хорошо видна зона относительных обжатий (Q=0,6-0,7 %), при которых происходит максимальное снижение начальных осевых остаточных напряжений или формирование даже остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях (при Q=0,3-0,5 %).
На рис. 4.9 представлено влияние степени относительного обжатия на глубину зоны действия остаточных напряжений одного знака в поверхностных слоях заготовки. Тангенциальные остаточные напряжения О при относительном обжатии 0,3-0,4 % имеют наибольшую глубину действия остаточных напряжений одного знака в поверхностных слоях заготовки. Для осевых остаточных напряжений область максимальной глубины растягивающих значений соответствует степени относительного обжатия 0,15-0,30 %.
