Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
-
Общие положения
-
Анализ комбинированных методов упрочнения с
использованием поверхностного пластического деформирования
1.3. Анализ методов определения режимов поверхностного
пластического деформирования
1.4. Методы определения параметров контакта упрочняющего
инструмента и детали
1.5. Выводы и постановка задачи
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛУБИНЫ
ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СЛОЯ ПРИ
КОМБИНИРОВАННОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ
-
Общие положения
-
Экспериментальное определение глубины пластически деформированного слоя после дробеобработки деталей, предварительно подвергнутых химико-термической обраб
-
Экспериментальное определение глубины пластически деформированного слоя при статической чеканке деталей из алюминиевых сплавов предварительно подвергнутых термической обработке
2.4. Выводы
. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТНОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТА УПРОЧНЯЮЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА С ДЕТАЛЬЮ И ГЛУБИНЫ ПЛАСТИЧЕСКИ
ДЕФОРМИРОВАННОГО СЛОЯ В УСЛОВИЯХ
КОМБИНИРОВАННОГО УПРОЧНЕНИЯ 90
-
Общие положения 90
-
Разработка и исследование методов расчетного определения
параметров контакта дроби с поверхностью детали
предварительно упрочнённой ХТО 91
3.3. Расчётное определение глубины остаточного отпечатка
в контакте упрочняющего инструмента (цилиндрического
индентора) с поверхностью детали 112
3.4. Разработка методов расчётного определения глубины
пластически деформированного поверхностного слоя 119
-
Определение глубины пластически деформированного поверхностного слоя при взаимодействии дроби и поверхности детали, материалы которых имеют соизмеримые твердости 119
-
Определение глубины пластически деформированного поверхностного слоя при статической чеканки поверхности детали с помощью цилиндрического
индентора 127
3.5. Выводы 132
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ
РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН В УСЛОВИЯХ
КОМБИНИРОВАННОГО УПРОЧНЕНИЯ 135
4.1. Общие положения 135
4.2. Практическая методика определения режимов дробеобработки
в условиях комбинированного упрочнения, когда твердость
материала упрочняемой детали близка к твердости материала
инструмента(дроби) 136
4.3. Разработка методики упрочнения корпусных деталей
статической чеканкой с использованием
цилиндрического индентора 142
4.4. Выводы 151
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155
ПРИЛОЖЕНИЯ 177
Приложение 1.
Акт внедрения результатов работы в ООО «ВЗБТ» 177
Приложение 2.
Акт внедрения результатов работы в учебный
процесс ВолгГТУ 178
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - постоянная диаграммы деформирования, зависящая от механических
свойств материала; а - радиус площадки контакта (для сферы); а' и п - коэффициенты в формуле Мейера; а - полное сближение в контакте; осу - упругое сближение в контакте;
осс - полное сближение в контакте при сплющивании сферы; аУ;С - упругое сближение в контакте при сплющивании сферы; as - полное сближение в контакте; оСуі - обратимая упругая часть сближения в контакте; Ъ - полуширина остаточного отпечатка (для цилиндрического индентора или
ролика); d- диаметр остаточного отпечатка; D - диаметр дроби; П - толщина (диаметр) детали; Е — модуль нормальной упругости; є - степень пластической деформации; є,- - интенсивность деформации; Є/,о - интенсивность деформации в точках продольной оси симметрии площадки
контакта;
єр - предельная равномерная деформация;
Sj - интенсивность деформации на пределе текучести;
h - глубина остаточного отпечатка;
hs - глубина пластически деформированного слоя;
^5,опт - оптимальная глубина пластически деформированного слоя;
НУ- твердость материала по Виккерсу;
hc - остаточное сближение при сплющивании сферы;
/2ф - глубина остаточного отпечатка (остаточное сближение) детали;
^Ф,с - величина сплющивания (остаточное сближение) сферы;
hn - глубина цементованного слоя;
НВ — твердость материала по Бринеллю;
НД— пластическая твердость (контактный модуль упрочнения) материала;
НДД— динамическая пластическая твердость материала;
НМ— твердость материала по Мейеру;
НЯСэ - твердость материала по шкале «С» Роквелла, воспроизводимая государственным специальным эталоном.
/ - длина линии контакта цилиндрического индентора (ролика) с деталью;
ц. - коэффициент Пуассона;
Цнд- динамический коэффициент твёрдости;
т - показатель степени диаграммы деформирования (кривой упрочнения материала);
Р - рабочая нагрузка;
Рд - контактная сила удара дроби;
q - удельная рабочая нагрузка на цилиндрический индентор (ролик); R - радиус сферы;
Ru — радиус кривизны поверхности отпечатка под нагрузкой (на детали); RB - радиус кривизны восстановленного отпечатка на поверхности детали;
-^в,с _ радиус кривизны восстановленного (после разгрузки) отпечатка на поверхности пластически сплющенной сферы (дроби);
Rh.c — радиус кривизны поверхности контакта под нагрузкой (на поверхности дроби);
Rp - расчётный радиус кривизны; Ярол - радиус цилиндрического индентора (ролика); р - плотность материала; а0,2 - предел текучести условный; cj/,o - интенсивность напряжений; (Тв - предел прочности при растяжении; Sk - истинное сопротивление разрыву; SB - истинный предел прочности; Vo - скорость полёта дроби;
W\\\.Wi- упругое смятие сферы под нагрузкой Р и упругое восстановление детали в центре контакта после разгрузки.
Введение к работе
Актуальность работы. Среди различных методов упрочнения деталей машин особое место занимают методы поверхностного пластического деформирования (ППД) (обкатка шариками или роликами, виброобкатывание, обработка дробью, алмазное выглаживание, чеканка и др.), как относительно простые и эффективные. Широкое применение нашли методы ППД в сочетании с другими упрочняющими обработками. Комбинированные методы, использующие поверхностное упрочнение деталей, наиболее эффективны для повышения контактной и изгибной усталостной прочности деталей машин. К таким способам относятся, например, закалка токами высокой частоты, термическая или химико-термическая обработка (цементирование, цианирование, азотирование) с последующей обработкой ППД.
В этих условиях твердость материала инструмента (дроби, шариков, роликов), используемого для ППД, может оказаться соизмеримой с твердостью поверхности детали. При этом известные закономерности, определяющие параметры контакта и режимы упрочнения, нарушаются, поскольку они базируются, как правило, на зависимостях, в которых полагают, что твердость инструмента не менее чем в два раза выше твердости материала детали.
В ряде случаев весьма эффективным оказывается применение статической чеканки изделий из цветных сплавов (после соответствующей термической обработки) с использованием инструмента в виде цилиндрического индентора, однако к настоящему времени методы прогнозирования параметров контакта и режимов упрочнения для такого инструмента разработаны не в полном объеме.
В связи с этим, возникает необходимость создания новых расчётных методов определения режимов упрочняющей обработки ППД при комбинированном упрочнении, так как известные методы базируются, зачастую на эмпирических соотношениях, то есть, справедливы лишь для частных случаев.
Тематика научно-технических конференций и публикаций последних лет также подтверждает актуальность темы исследования.
Цель и основные задачи исследования. Целью данного исследования является разработка методов расчёта рациональных режимов поверхностного пластического деформирования при комбинированном упрочнении деталей, а именно режимов дробеобработки стальных деталей (предварительно подвергнутых химико-термической обработке), а также режимов статической чеканки деталей из алюминиевых сплавов (предварительно подвергнутых термической обработке: закалка + искусственное старение) с помощью инструмента в виде цилиндрического индентора.
Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи исследования: - разработка и исследование методов расчётного определения параметров остаточного отпечатка в контакте инструмента (дроби или цилиндрического индентора) и детали в условиях комбинированной упрочняющей обработки; - экспериментальное и теоретическое исследование глубины пластически деформированного поверхностного слоя (после дробеобработки или статической чеканки цилиндрическим индентором) при комбинированной упрочняющей обработке; -разработка инженерного метода определения рациональных режимов поверхностного пластического деформирования (дробеобработки или статической чеканки) при комбинированном упрочнении.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использовали теорию упругости, деформационную теорию пластичности, теорию размерности, характеристику материала - контактный модуль упрочнения (пластическая твердость по ГОСТ 18835), методы планирования эксперимента. Для обработки экспериментальных данных применяли методы математической статистики и персональную ЭВМ IBM PC 5-го поколения.
Геометрические размеры остаточных отпечатков измеряли с помощью инструментального микроскопа ММИ-2 и индикаторов часового типа. Контактные деформации измеряли с помощью специального приспособления к прессу Бринелля. Определение механических свойств при растяжении выполняли с помощью программно-технического комплекса для испытания металлов (оснащенного персональным IBM совместимым с компьютером) ИР 5143-200. Контроль твердости проводили на твердомерах ТШ-2, ТК-2, ТП-7Р-1.
Научная новизна:
Получена аналитическая зависимость, определяющая расчётный радиус кривизны инструмента (дроби), с использованием которого «упругие» формулы Г. Герца становятся пригодными для расчёта упругой части полного сближения и диаметра остаточного отпечатка при наличии в процессе дробеобработки контактной пластической деформации материалов, как дроби, так и детали.
Установлены зависимости для определения глубины остаточного отпечатка на поверхности детали и величины остаточного сплющивания дроби при соизмеримых твердостях их материалов.
Обоснованы многофакторные безразмерные комплексы, характеризующие закономерности пластической деформации при статической чеканке детали цилиндрическим индентором, позволяющие вычислить глубину остаточного отпечатка на поверхности детали.
Предложены расчётные методы определения глубины пластически деформированного поверхностного слоя детали при её дробеобработке (при соизмеримых твердостях материалов детали и дроби), а также при статической чеканке цилиндрическим индентором деталей из алюминиевых сплавов.
Разработаны методы расчетного определения рациональных режимов поверхностного пластического деформирования (дробеобработки или статической чеканки) после предшествующей химико-термической или термической обработки.
Новизна метода определения глубины пластически деформированного поверхностного слоя при дробеобработке в условиях комбинированного упрочнения подтверждена патентом РФ 2194263.
На защиту выносятся:
Аналитические зависимости, определяющие диаметр остаточного отпечатка и упругую часть полного сближения в силовом контакте инструмента (дроби) и детали при соизмеримых твердостях их материалов.
Формулы для расчёта глубины остаточного отпечатка на поверхности детали и величины остаточного сплющивания дроби (при соизмеримых твердостях их материалов) при дробеобработке.
Зависимость, полученная на основе теории размерности и позволяющая определять глубину остаточного отпечатка на поверхности детали при статической чеканке с помощью цилиндрического индентора.
Расчётные зависимости, определяющие глубину пластически деформиро- ванного поверхностного слоя детали при ударном поверхностном пластическом деформировании (дробеобработке в условиях соизмеримых твердостей материалов дроби и детали) и при статической чеканке цилиндрическим индентором деталей из алюминиевых сплавов.
5. Методы расчётного определения рациональных режимов дробеобработки (диаметр дроби и её скорость) после химико-термической обработки детали, и статической чеканки (диаметр цилиндрического индентора, контактная нагрузка на него) деталей из алюминиевых сплавов после термической обіг работки, позволяющие одновременно обеспечить оптимальные значения как интенсивности пластической деформации на поверхности детали, так и глубину пластически деформированного слоя.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов. Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов диссертации подтверждаются экспериментальными исследованиями автора, согласуются с известными результатами работ других авторов, а также результатами использования в производственных условиях ряда разработанных методов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные расчетные методы определения рациональных режимов поверхностного пластического деформирования (дробеобработки или статической чеканки) после предшествующей химико-термической или термической обработки, а также необходимые для их реализации методы расчёта размеров остаточных отпечатков, и глубины пластически деформированного поверхностного слоя позволяют уже на этапе проектирования параметров ППД обеспечить наибольшую эффективность упрочняющей обработки. Все методы представлены в виде, удобном для практического использования инженерно-техническими работниками в производственных условиях.
Предложенные расчетные методы внедрены в практику проектирования буровых установок в ООО «Волгоградский завод буровой техники», а также используются в ВолгГТУ при чтении лекций по отдельным разделам курса «Де- тали машин и основы конструирования», выполнении курсовых проектов, выпускных работ бакалавров и магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и получили одобрение на IV, V, VI, VIII областных межвузовских научных конференциях студентов и молодых ученых (1999, 2000, 2001, 2004 гг.); международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 1999, 2002, 2005 гг.), международной традиционной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1999г.), IV -VI международных семинарах «Современные проблемы прочности» (Старая Русса, 2000, 2001, 2003 гг.), XXXVI международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2000 г.), международных конференциях «Механика» (Литва, Каунас; 2002, 2004, 2005, 2006 гг.), международной научно-технической конференции «Надежность машин и технических систем» (Минск, 2001 г.), международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства» (Волгоград, 2002г.), научно-технической конференции с международным участием «Теория и практика зубчатых передач» (Ижевск, 2004г.), научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004 гг.), «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (С.Петербург, 2005г.), международной конференции «Современные упрочняющие технологии деталей поверхностным пластическим деформированием» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2005 г.), «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2005г.), международной научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства» (Курган, 2006г.), внутривузовских конференциях (Волгоград, 2000 - 2006 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 работах, в том числе получен патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 24 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 187 наименований. В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение и практическое значение результатов работы.
