Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Взаимосвязь конструктивно-технологических параметров и показателей качества поверхностного слоя при ППД роликами 9
1.2. Методы решения упругопластической контактной задачи и определения геометрических параметров контактной зоны при обработке роликами произвольной конфигурации 19
1.3. Физико-механические процессы в зоне контакта при обработке ППД 31
Выводы по 1 главе 40
Глава 2. Исследование физико-механических явлений и напря женного состояния в зоне контакта 43
2.1. Определение пластического течения металла при упругопла-стическом деформировании поверхности ролика произвольной конфигурации 43
2.2. Взаимосвязь напряженного состояния в зоне контакта с кинематикой точек деформируемой поверхности 53
2.3. Определение формы и размеров деформирующих роликов по заданной форме и размерам контакта 58
2.4. Влияние напряженного состояния в контактной зоне на глубину упрочнения 63
2.5. Тепловые потоки и температура в зоне контакта при ППД 69
Выводы по 2 главе 78
Глава 3. Исследование влияния физико-механических явлений в контактной зоне на качество поверхностного слоя 80
3.1. Анализ геометрических соотношений контактной зоны при обработке деталей различными типами роликов 80
3.2. Особенности упругопластического течения металла в контактной зоне 83
3.3. Влияние геометрических параметров деформирующих роликов и контактной зоны на усилие деформирования 85
3.4. Влияние геометрических параметров деформирующих роликов на глубину упочнения 89
3.5. Влияние режимов обработки и геометрии деформирующих роликов на температуру в зоне контакта 95
Выводы по 3 главе 97
Глава 4. Экспериментальные исследования физико-механических явлений в контактной зоне и качества поверхно стного слоя при ППД роликами 99
4.1. Обоснование методики исследования физико-механических явлений в контактной зоне 99
4.2. Экспериментальное исследование геометрических параметров контактной зоны 113
4.3. Экспериментальное исследование глубины упрочнения при ППД роликами 117
4.4. Исследование влияния геометрических параметров деформирующих роликов на глубину упрочнения методом многофактор-ного планирования эксперимента 121
4.5. Экспериментальные исследования микрогеометрии поверхностного слоя после обработки ППД роликами 130
Выводы по 4 главе 136
Глава 5. Практическая реализация результатов исследований 138
5.1. Общие положения 13 8
5.2. Особенности выбора геометрических параметров деформирующих роликов 140
5.3. Алгоритм расчета геометрических параметров деформирующих роликов, усилие деформирования, температуры и глубины упрочнения 142
5.4. Методика автоматизированного расчета конструктивно- технологических параметров обработки ППД роликами 146
Выводы по 5 главе 148
Общие выводы 150
Список литературы 152
Приложения 164
- Методы решения упругопластической контактной задачи и определения геометрических параметров контактной зоны при обработке роликами произвольной конфигурации
- Взаимосвязь напряженного состояния в зоне контакта с кинематикой точек деформируемой поверхности
- Особенности упругопластического течения металла в контактной зоне
- Экспериментальное исследование геометрических параметров контактной зоны
Введение к работе
В условиях современного научно-технического прогресса одной из важнейших задач в области машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин. Ее решение тесным образом связано с вопросами обеспечения их качества деталей машин.
От качества поверхностного слоя деталей зависят эксплуатационные свойства - сопротивление усталостному разрушению, износостойкость, коррозионная стойкость и др. Оптимальной, с точки зрения обеспечения необходимых эксплуатационных свойств деталей является поверхность, имеющая достаточную твердость, сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью опорной поверхности и низкой шероховатостью.
Одним из самых прогрессивных, экономических и производительных методов, при котором достигаются данные показатели качества поверхностного слоя, является отделочная обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) роликами. Изучению процесса ППД посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. К ним относятся: работы Г.М. Азаревича, И.В. Кудрявцева, П.Г. Алексеева, В.М. Браславского, М.М. Жасимова, Д.Д. Папшева, А.Г. Суслова, С.Г. Хейфеца, Ю.Г. Проскурякова, М.С. Дрозда, Ю.И. Сидякина, Ю.Г. Шнейдера и др.
Несмотря на большое количество работ и в связи с чрезвычайной сложностью протекания процесса исследования, посвященные ППД роликами, не раскрывают в полной мере физической сущности явлений происходящих в контактной зоне, а полученные теоретические решения, для определения некоторых показателей качества обработанной поверхности дают отклонения с экспериментальными данными, или имеют разрозненный характер, затрудняющий выбор конструктивных параметров и режимов обработки, за счет которых достигается заданное качество поверхно- стного слоя. Раскрытие взаимосвязи между конструктивными параметрами, режимами обработки и физико-механическими явлениями в контактной зоне позволит уточнить существующие решения или получить недостающие зависимости с тем, чтобы обосновано назначать рекомендации по выбору параметров деформирующих роликов и факторов обработки ППД роликами. Указанные ключевые направления, продиктованные общими принципами стандартизации, обусловливают необходимость углубления и обобщения представлений о механизме формирования показателей качества поверхностного слоя.
Целью работы является обоснование конструктивных параметров деформирующих роликов при обработке наружных цилиндрических поверхностей, обеспечивающих заданное качество и производительность.
Поставленная цель достигалась путем проведения комплексных исследований факторов, оказывающих влияние на качество поверхностного слоя при ППД роликами, выработке практических рекомендаций по повышению эффективности процессов отделочной обработки.
Для реализации цели работы необходимо решить следующие задачи:
Изучить состояние вопроса в рассматриваемой области;
Разработать и исследовать математическую модель взаимосвязи параметров деформирующих роликов с геометрией контактной зоны;
Исследовать влияние упругопластического течения металла на температуру и напряженное состояние в контактной зоне;
Разработать методику и провести экспериментальные исследования;
Разработать методику автоматизированного расчета рациональных конструктивно-технологических параметров обработки ППД роликами.
Научная новизна работы заключается в исследовании и реализации комплексного подхода к вопросам формирования поверхностного слоя при ППД роликами, который рассматривает во взаимодействии геометрические, силовые и температурные факторы в процессе их воздействия на обрабатываемую поверхность. В результате этого была разработана методика назначения режимов обработки и конструктивных параметров деформирующих роликов обеспечивающих заданное качество поверхности при обработке деталей машин ППД роликами.
Научная новизна работы состоит в том, что:
Впервые установлена зависимость определения геометрических параметров деформирующих роликов и глубины внедрения по заданной контактной зоне;
Выявлена закономерность влияния пластического течения металла на радиальную и касательную составляющие напряжений в контактной зоне и усилия деформирования;
Впервые получена зависимость глубины упрочнения от напряженного состояния в контактной зоне любой геометрии;
Впервые получена зависимость удельного тепловыделения и температуры в контактной зоне;
Получены экспериментальные результаты исследования влияния контактной зоны и усилия деформирования на проскальзывание и качество обработанной поверхности.
В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса по влиянию геометрических параметров деформирующих роликов на качество поверхностного слоя. На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований сформированы цель и вытекающие из нее задачи исследования.
Вторая глава посвящена аналитическому исследованию и математическому моделированию физико-механических явлений и напряженного состояния в зоне контакта. Предложен и обоснован критерий оценки поверхнотного воздействия на физико-механические состояния поверхностного слоя и разработана методика определения показателей качества поверхностного слоя.
В третьей главе проведен анализ соотношений величин определяющих физико-механические явления в контактной зоне. Исследованы особенности упругопластического перемещения металла в контактной зоне и определена степень влияния геометрических параметров деформирующих роликов на основные показатели качества поверхностного слоя.
В четвертой главе представлена методика экспериментальной проверки выдвинутых положений, направленная на получение информации о влиянии геометрических, силовых и температурных факторов в процессе их взаимодействия на обрабатываемую поверхность. Экспериментальная проверка показала достаточно хорошую сходимость полученных данных с разработанными теоретическими зависимостями.
В пятой главе представлен алгоритм и блок-схема автоматизированного расчета рациональных конструктивно-технологических параметров обработки ГТПД роликами для достижения заданного качества поверхности при требуемой производительности обработки, а также выбора геометрических параметров роликов исходя из цели повышения качества обрабатываемой поверхности.
Работа выполнена на кафедрах «Технология машиностроения» КТИ ВолгГТУ и «Металлорежущие станки и инструменты» Волгоградского государственного технического университета.
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору [Оробинскому В.М.|, доктору технических наук, профессору
Смольникову Н.Я.; кандидату технических наук, доценту Отению Я.Н., кандидату технических наук, доценту Белову А.В. и всем сотрудникам кафедры «Технология машиностроения» КТИ ВолгГТУ, без помощи и поддержки которых выполнение данного исследования было бы невозможным.
Методы решения упругопластической контактной задачи и определения геометрических параметров контактной зоны при обработке роликами произвольной конфигурации
Взаимосвязь ролика с деталью осуществляется через исходный контакт. До приложения усилия он может быть точечным или линейным в зависимости от конфигурации контактирующих тел. Под действием приложенной силы ролик вдавливается в деталь, образуя на ее поверхности отпечаток, форма и размеры которого играют важную роль в процессе пластической деформации при обкатке, при формировании поверхностного слоя наиболее распространенными формами контактной зоны являются эллиптическая и каплевидная форма.
Отпечаток эллиптической формы образуется при обкатке деталей шариками и роликами тороидальной формы (профильными роликами), рабочая поверхность которых в перпендикулярном и параллельном направлении ролика образуется дугами окружностей.
Ролики с рабочим профилем, очерченным в осевом направлении по окружности (то есть в форме тора, бочки, сферы) образуют постоянную форму отпечатка независимо от точности установки ролика и жесткости системы СПИД. Прямоугольный отпечаток создается при линейном исходном контакте ролика с деталью и создает наилучшие условия деформации при обкатке без продольной подачи коротких поверхностей, когда ширина ролика перекрывает длину обкатываемого участка. Применение роликов, имеющих линейный контакт с деталью, требует снятия концентрации контактных напряжений на краю отпечатка, противоположном направлению подачи. Упругое напряженное со стояние, в котором ролик и деталь находятся под действием рабочей силы, зависит от их упругих свойств и конфигурации поверхности контакта, образовавшейся в результате пластической деформации детали. При точечном исходном контакте, превращающимся под нагрузкой в эллиптический, теория Герца предполагает распределение контактного давления по эллипсоиду с максимальным давлением в центре (рисунок 1.1, а)
Рисунок 1.1- Эпюры давления на поверхность контакта детали с роликами различной формы:а) при точечном исходном контакте ролика кругового профиля;б) при линейном исходном контакте цилиндрического ролика неограниченной длины 1и цилиндрического ролика с прямоугольным сопряжением образующей с торцами 2;в) тоже с радиусными сопряжениями при отношениях длины цилиндрического участкак скругленному 0,9(3) и 0,4(4); г) при каплевидном отпечатке. Образование пластического отпечатка приводит к существенному увеличению размеров контакта, но в силу упругого восстановления разгруженных детали и ролика их исходный контакт остается точечным.
Однако В.М. Браславский исследуя данные вопросы, отмечал, что теория Герца в случае линейного контакта определяет напряженное состояние в точках, удаленных от краев (контакт бесконечной длины). Он установил, что глу бина распоряжения пластической деформации под отпечатком зависит также от его где а и Ъ - полуоси проекции эллиптической вмятины на плоскость.
У краев ролика, имеющих нулевой радиус кривизны, давление стремится к бесконечности (рисунок 1.1, б). При конечной кривизне скруглений профиля ролика у торцев концентрация снимается. Чем большую долю длины контакта занимают скругленные участки, тем в большей степени снижается концентрация (рисунок 1.1, в). Следуя далее по этому пути, можно построить профиль роликов, создающих в условиях упругого контакта любую заданную эпюру давления. Предшествующая стабилизированному упругому взаимодействию пластическая деформация детали существенно влияет на реальную эпюру контактных напряжений за счет искажения кривизны поверхности в краевых зонах. На краю пластического отпечатка кривизна детали может достигать значительной величины, что приводит к росту концентраций напряжений и усиленной деформации у краев отпечатка. В результате на обкатанной поверхности остается след подачи ролика, и появляются дефекты, связанные с колебаниями подачи. Средством борьбы с концентрацией является ограничение угла вдавливания ролика в осевом сечении. Это достигается увеличением радиусов кривизны, ограничением рабочей силы или установкой ролика под малым фиксированным углом к обкатываемой поверхности (рисунок 1.1, г), причем отпечаток приобретает каплевидную форму, сужающуюся в противоположную подаче сторону.
Следует отметить, что авторами [13, 35] рассматривается упругое напряженное состояние между роликом и деталью при их неподвижном контакте, тогда как при деформировании поверхности детали катящимся роликом возникает упругопластическая деформация. Во многих работах используются приведенные диаметры или радиусы, а также эллиптическая поверхность контакта аппроксимируется как круговая. При переходе же к другим типам роликов (от личающихся от круглых и торроидальных) формах контакта отличается от эллипса и значительно меняется закон распределения давлений в контактной зоне. Таким образом, чтобы рассчитать ожидаемый размер отпечатка ролика произвольной формы на обкатываемой детали необходимо учитывать реальную форму контакта между роликом и деталью. Следовательно, многие явления при решении упругопластической контактной задачи требуют дальнейшего изучения.
К основным результирующим параметрам процесса обкатывания относится глубина упрочнения, степень упрочнения, а также величина и распределение по сечению детали остаточных напряжений. Глубина упрочнения является одним из важнейших параметров качества поверхности, формируемых при ППД. Аналитическому определению глубины упрочнения посвящены работы Хейфе-ца С.Г. [107], Кудрявцева И.В. [56], Дрозда М.С. [31], Ярославцева В.М. [117], Папшева Д.Д. [79] и других авторов. Существуют следующие зависимости для ее определения:
Взаимосвязь напряженного состояния в зоне контакта с кинематикой точек деформируемой поверхности
Как уже отмечалось, существует ряд методик определения напряженного состояния между контактируемыми телами, в которых исходят из допущений, что контактирующие детали являются абсолютно упругими телами [45, 103].
Попытка перенести полученные результаты на случай упруго-пластического деформирования роликами оказалась несостоятельной в виду большого расхождения с экспериментальными данными. В некоторых случаях при решении зада чи определения напряженного состояния, площадь контакта аппроксимируется удобными для решения кривыми в виде эллипса или круга, что может быть допустимо только при обработке шариками и тороидальными роликами. Для других типов роликов эти решения неприемлемы. Характер деформирования поверхности детали при качении ролика существенно отличается от случая статического вдавливания.
В процессе качения ролика на его фронтальной поверхности происходит упруго-пластическая деформация и интенсивное пластическое течение металла. Впереди ролика образуется волна за счет вытеснения металла из контактной зоны. На противоположной стороне ролика происходит упругое восстановление деформированного слоя. Эти особенности процесса деформирования могут быть учтены при использовании результатов исследований пластического течения металла. Они позволят дать инженерное решение задачи о распределении напряжений в площади контакта. При решении этой задачи следует учитывать, что как в своей постановке, так и в методах ее решения имеются значительные трудности. Это связано с тем, что при самой общей постановке задачи упруго-пластического деформирования не представляется возможным установить определенную связь между напряжениями и скоростями протекания процесса.
Пластическая деформация, достигнутая к данному моменту, зависит не только от пути деформирования, но и от всего пути нагружения [27]. Тем не менее, для каждого конкретного нагружения могу быть найдены однозначные соотношения между напряжениями и пластическими деформациями или скоростями деформаций.
При наличии нагружения, не включающего разгрузку, упруго-упрочняющееся тело аналогично нелинейно-упругому в том смысле, что связь между напряжениями и деформациями будет взаимно однозначной. Однако, определенная функциональная зависимость может быть определена только опытным путем. Как показал А.А. Ильюшин [36] связь между девиаторами напряжений и деформаций во всех известных теориях может быть представлена в виде: где: L, L - линейные операторы соответствующих девиаторов;
Как установлено из литературных источников [94, 103] любое нелинейное упругое тело может быть описано законом Гука, в котором модуль упругости не является постоянным, а зависит от деформаций. При монотонном нагружении зависимость между напряжениями и деформациями может быть определена из диаграммы растяжения-сжатия (рисунок 2.4). где А, т- константы, зависящие от физико-механических характеристик.
В уравнении (2.19)две неизвестные постоянные величины А и т. К настоящему времени получены экспериментальные графики кривых упрочнения практически для всех металлов и сплавов, применяемых в машиностроении [51]. Это значительно упрощает задачу определения постоянных в уравнении (2.21). Действительно, если имеется график кривой упрочнения (рис. 2.4) для заданного материала, то используя эту кривую, может быть составлена следующая система из двух уравнений.
Подставив формулы для вычисления относительных деформаций в формулу (2.19) получим зависимость для вычисления распределения напряжений по площади контакта на фронтальной поверхности ролика. Соответственно, нормальные и касательные составляющие усилия деформирования можно найти из выраженийz% - изменение полуширины контакта по длине контактной зоны; їх - текущее значение длины контактной зоны.
Контактная зона состоит из двух частей: на первой, фронтальной поверхности происходит упруго-пластическое деформирование, на второй, тыльной части - упругое восстановление деформированного металла. Поскольку перемещение металла при упругом восстановлении ограничено поверхностью ролика и направлено в его сторону, то это вызывает дополнительное усилие, пытающееся оттолкнуть его от детали.
При упругом восстановлении можно считать, что связь напряжений с деформациями, действующими на тыльную сторону ролика, подчиняются закону Гука. Поэтому, для вычисления дополнительного усилия от упругого восстановления, принимая в качестве относительной деформации выражение (2.25), получим:
Воздействие на обрабатываемую поверхность детали осуществляется через контакт с частью поверхности ролика ограниченную контурной линией контакта. Контурную линию можно задать на поверхности детали и независимо от того воздействует на нее ролик или нет. Такое представление контактной зоны необходимо для того, чтобы смоделировать в ее пределах напряженно-деформированное состояние с целью определения оптимальных условий процесса обработки и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя.
Первоначально анализ влияния особенностей распределения напряженного состояния в контактной зоне можно отделить от реальной схемы взаимодействия ролика с деталью, а затем уже после выбора необходимых условий процесса деформирования вернуться к вопросу, какому типу ролика соответствует данное напряженное состояние. Подобная постановка задачи имеет важное значение для установления необходимой минимальной номенклатуры применяемых на практике роликов, унификации инструмента и его централизованного изготовления на предприятиях.
Контактная зона не определяется однозначно только заданием уравнения контурной линии контакта. Другим уравнением, дополняющим ее геометрические параметры, является изменение глубины внедрения ролика по линии его максимального нагружения.
При определении геометрических параметров деформирующих роликов, обеспечивающих заданный контакт необходимо также учитывать и диаметр обрабатываемой детали. Все сказанное может быть реализовано на основании схе мы внедрения ролика в поверхность вала (рис. 2.5). Будем предполагать, что оси ролика и детали расположены параллельно друг другу. Опуская преобразования, получим следующее выражение для вычисления радиуса ролика и глубины его внедрения по линии максимального нагруженияR- радиус обрабатываемой поверхности;гп - начальный радиус ролика, соответствующий началу контактной зоны; zk - изменение полуширины контактной зоны по ее длине.
Начальный радиус ролика гп выбирается произвольно и зависит от конструктивных особенностей инструмента, количества одновременно устанавливаемых роликов по дуге окружности детали, и других соображений определяемых исходя из заданных или выбранных критериев технологического или конструктивного характера.
Установление зависимостей изменения полуширины контактной зоны по его длине не представляет никаких трудностей. Это могут быть любые уравнения кривых. Так, например, для наиболее широко применяемых в производственной практике эллипсного и каплевидного контактов уравнения контурных линий имеют вид формул, описывающих форму контакта.Каплевидная форма контакта состоит из двух участков: заходного участка 1 и участка сбега 2.
Особенности упругопластического течения металла в контактной зоне
В предыдущей главе было установлено, что действительное перемещение частиц металла состоит из двух составляющих: перемещения точек деформируемой поверхности детали по траектории совместно с соприкасающимися точками ролика и смещения этих же частиц детали по поверхности ролика.
Вторая составляющая, как показали экспериментальные исследования (глава 4) не превышает 3 % от первой составляющей. Поэтому для практических расчетов можно принять формулы (2.1; 2.3; 2.11) из второй главы, полученные при условии отсутствия проскальзывания.
Как оказалось при сравнении траекторий, определяющих перемещения точек деформируемой детали, полученные из схемы обработки на токарном станке при зафиксированных осях вращения ролика и детали, в точности совпадают с перемещениями по эпициклоидам.
Это означает, что независимо от того, какая рассматривается схема обработки, полученные математические модели, хоть и имеют разный вид, однако, описывают одни и те же траектории перемещения точек деформируемой поверхности.
Из приведенных на рисунке 3.3 графиков соотношения составляющих перемещения точек деформируемой поверхности по нормальному и тангенциальному направлениям следует, что радиальная составляющая больше тангенциальной примерно в 10 - 15 раз. Это косвенно объясняет тот факт, что нормальная Ру и тангенциальная Pz составляющие при обкатывании имеют тот же порядок соотношения. При обработке ППД роликами, имеющими разные диаметры и внедренными в поверхность детали на одну и ту же глубину, меньшему диаметру соответствует большая относительная деформация. Тем не менее, как показывают дальнейшие расчеты, усилие деформирования при обработке роликами, имеющими меньший диаметр, будет меньше. Это объясняется тем, что при одинаковой глубине внедрения различных роликов с увеличением их диаметров пропорционально увеличивается и площадь контакта. При одинаковом максимальном напряжении в области контакта большей площади контакта соответствует увеличенное усилие деформирования.
Усилие деформирования является интегральной характеристикой процесса деформирования обкатыванием роликами, оно определяется формой и размерами контактной зоны, а также интенсивностью и законом распределения напряжений по площади. Однозначно установлен факт, что с ростом усилия деформирования его влияние на показатели качества поверхности детали увеличивается. Однако, это влияние не однозначно: одно и то же усилие деформирования формируется при разных условиях обработки и, главным образом, зависит от размеров деформирующих роликов и детали. Это утверждение легко доказывается следующими рассуждениями. Если увеличивать размеры контактной зоны, то всегда можно подобрать такое распределение напряжений в зоне контакта, при котором интеграл от напряжений по площади контакта будет равен заданному усилию. Далее предположим, что площадь контакта увеличивается. Одновременно, при заданном усилии должна снижаться интенсивность напряжений. В конечном итоге эта интенсивность достигнет значения ниже предела текучести. При этих условиях деформирования качественные изменения вообще будут отсутствовать.
Изменять площадь контакта при неизменном усилии деформирования можно за счет варьирования размеров деформирующих роликов и детали. Для заданной детали - только размерами ролика.Аналогично при заданной площади контакта интенсивность напряжений тоже может изменяться за счет варьирования диаметров роликов.
Приведенные рассуждения показывают, что взаимосвязь качества с усилием деформирования необходимо установить через распределение напряжений при заданной площади и форме контакта. составляющих усилия деформирования примерно соответствует соотношению между этими составляющими, подтвержденному многочисленными экспериментальными данными.
Достоверность и адекватность описания физических процессов математическими моделями может быть подтверждена только экспериментальными исследованиями, или сравнением с другими моделями, описывающими аналогичные явления в близких к рассматриваемым условиям. Одним из таких приближений являются зависимости для определения усилия деформирования при статическом сжатии упругих тел. следует ожидать, что полученное в работе зависимости для определения усилия возникающего при качении ролика по упру-гопластической деформируемой поверхности при одной и той же глубине внедрения должны совпадать с решениями статической упругой контактной задачи при условии совпадения максимальных напряжений и одинаковых по размерам контактных зон.
На рисунке 3.6 представлены зоны изменения контактных напряжений по ширине контактной зоны для обоих рассматриваемых случаев. Кривая (1) зависимости распределения напряжений полученная для катящегося ролика определена по зависимости:а для упругого сжатия по формуле
Как видно из соотношения представленных на графике зависимостей, кривая 1 представляющая зависимость (3.1) расположена несколько выше, кривой построенная по зависимости (3.2). Это объясняет тот факт, что усилие деформирования при упругопластическом деформировании больше примерно на 11 % усилия деформирования определяемого при упругом сжатии.
Экспериментальное исследование геометрических параметров контактной зоны
Одним из основных параметров, влияющих на показатели качества поверхностного слоя при ППД, является площадь контакта между деформирующими роликами и обрабатываемой поверхностью. Величина площади контактной зоны зависит от глубины внедрения ролика в деталь, формы и размеров ролика, размеров обрабатываемой заготовки. Измерение геометрических параметров контактной зоны сводится к определению глубины внедрения деформирующего ролика в обрабатываемую деталь, а остальные параметры могут быть определены косвенно на основе расчета по математическим зависимостям. Сложность экспериментальных исследований заключается в необходимости учитывать большое количество различных величин, связанных с нежесткостью технологической системы и, в первую очередь, деформацию заготовки, инструмента, причем с достаточно высокой точностью, так как глубина внедрения ролика в деталь является величиной порядка 0,03.. .0,2 мм (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5. - Схема для определения глубины внедрения ролика при статическом вдавливании Для исследования глубины внедрения ролика при статическом нагружении была разработана схема изображенная на рисунке 4.1, б.
Для подтверждения достоверности результатов определения площади контактной зоны использовался Большой инструментальный микроскоп БМИ - 2. Микроскоп состоит из основания, салазок, предметного стола, микрометрической головки, поворотной головки и угломерной окулярной головки. Деталь с оттиском контактной зоны устанавливалась на призму. Микрометрические головки прибора имеют цену деления 5 мкм в пределах измерения 0...50 мм. Предел допустимой основной погрешности микроскопа при поверке по образцовой штриховой мере на высоте 25 мм от предметной плоскости координатного стола не более ± 0,003 мм. Относительно погрешность при измерении пятна контакта с учетом установки сегмента детали в призме не должна превышать 0,05.
При обработке ППД деформации подвергаются как поверхность детали, так и сам деформирующий ролик.
При аналитическом определении особенностей упругопластического течения металла в зоне контакта при ППД роликами было принято, что ролик является абсолютно жестким и расчеты показывают (формула 2.2), что изменение его диаметра при нагрузках, применяемых на практике составляет не более 5%.
При этом полагаем, что твердость инструмента существенно больше, чем твердость материала обрабатываемой детали. По-видимому, впервые экспериментальное исследование параметров упругопластического контакта тел, равных по твердости (тел качения и конец подшипников), было выполнено в работе А. Пальмгрена [121], который установил, что величина сплющивания тела качения составляет одну треть, а глубина остаточного отпечатка на поверхности кольца - две трети от суммарной остаточной деформации. В работе [15] рассмотрено влияние соотношения твердости детали и шарика на глубину отпечатка и величину смятия ролика при статическом взаимодействии и указано на необходимость учета уменьшения глубины упрочнения при соотношении твердостей НУ/НУШ 0,15. Глубина отпечатка h0 на HVm определяется из зависимости, полученной из экспериментаРисунок 4.6. - Пресс ручной гидравлический для исследования жесткости ролика.
Жесткость роликов исследовалась на гидравлическом ручном прессе, который позволяет создавать нагрузку до 4000 Н
Проведенная проверка зависимости (2.2) показала, что погрешность расчетов не превышает 1 - 3 % относительно экспериментальных данных. Это позволяет рассчитывать предполагаемое изменение диаметра ролика под воздействием усилия деформирования. По данным таблицы 4.1 построена зависимость изменения диаметра ролика Ad от нагрузки Р.
Рисунок 4.7. - Зависимость изменения диаметра ролика от усилия деформирования. 1 - экспериментальная зависимость; 2 - расчетная зависимость. Непосредственное измерение диаметра ролика твердостью HV 9200 на инструментальном микроскопе с точностью 0,005 мм не выявило его смятия, хотя может присутствовать пластическая деформация ролика, которая не фиксируется примененным инструментальным методом. Поэтому можно использовать
