Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
Tol'yatti, Samara, Russian Federation
Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
A kinematics of a deforming tool motion for stress-strain state changes in the point of an elastic-plastic deformation and residual stresses increase at surface plastic deformation is developed. The results of a loading process computer simulation under different conditions of a deforming tool contact with a part which give a possibility to increase the effectiveness of a new method of the finishing-strengthening of orbital surface plastic deformation are shown.
kinematics, residual stress, modeling, effectiveness, loading process, orbital motion
Введение
При создании изделий машиностроения специалисты решают две важные проблемы. С одной стороны, изделие должно быть надежным, а с другой – экономичным. Выбор конструкционных материалов является важнейшей задачей при изготовлении деталей машин. И здесь вопросы качества металла и его стоимости находятся в явном противоречии. Перед технологами всегда стоит актуальная задача – как повысить качество изделия с минимальными материальными затратами? Важнейшим направлением решения этой проблемы является повышение несущей способности поверхностного слоя деталей машин, от которой зависит работоспособность всего изделия.
Одним из доступных и экономичных методов повышения качества поверхностного слоя является отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием [1 ‒ 4]. Деформационные методы упрочнения нашли широкое распространение в металлообрабатывающей промышленности.
Обкатывание шариком, роликом, диском и другими рабочими инструментами снижает шероховатость поверхностного слоя, повышает его прочность, формирует остаточные напряжения сжатия. В результате применения процессов ППД повышаются изностойкость, контактная выносливость, и в итоге долговечность изделий возрастает в несколько раз [5, 6, 7].
Важнейшим параметром качества поверхностного слоя являются остаточные напряжения сжатия, которые обычно формируются при ППД [8]. В работах [6, 9, 10] установлено, что остаточные напряжения сжатия оказывают существенное влияние на повышение усталостной прочности и износостойкости металлов и сплавов. С другой стороны, например, при обработке металлов давлением остаточные напряжения иногда достигают такой величины, что могут привести к разрушению металлических изделий [11].
При отделочно-упрочняющей обработке ППД, в отличие от обработки металлов давлением, остаточные напряжения в поверхностных слоях достигают относительно небольших значений и распространяются на небольшую глубину. Причина этого заключается в том, что деформируется относительно небольшой объем материала, степень неравномерности деформаций при этом невысокая, а, следовательно, формируются и небольшие по величине остаточные напряжения.
В связи с изложенным возникает вопрос – можно ли повысить величину остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей машин при ППД?
Обзор существующих методов ППД достаточно подробно представлен в работе [6]. Это обкатка шариком, роликом, алмазным выглаживателем, вибрационная, ультразвуковая и ударная обработки и многие другие.
Анализируя известные методы ППД, можно сделать следующие выводы:
- Существует два основных вида пластического деформирования поверхностного слоя – это обработка скольжением рабочим инструментом и обработка качением [10].
- Для реализации деформационного воздействия рабочего инструмента используют различные источники энергии: статические, динамические, ультразвуковые, центробежные и другие [6, 10].
- Глубина внедрения рабочего инструмента для большинства методов ППД не превышает 0,1…0,3 мм, что не позволяет достичь значительной неравномерности пластической деформации, а, следовательно, и больших значений остаточных напряжений сжатия.
- Кинематика деформирующего инструмента характеризуется в основном двумя направлениями – вдоль направления действия внешней нагрузки и перпендикулярно ему.
В отличие от традиционных схем обработки [6] в настоящее время разработаны процессы ППД, основанные на новой кинематике деформирующего инструмента. Так, в работе [13] предложено изменить ось вращения цилиндрического ролика, которая проходит через центр диаметральной плоскости. Новая кинематика движения рабочего инструмента позволяет изменить напряженное состояние в очаге деформации и повысить степень упрочнения. Известен ряд работ [10, 14] по исследованию влияния кинематики деформирующего инструмента на качество упрочненных деталей, где авторы предлагают изменить направление вращения рабочего инструмента.
В физике металлов известна кривая, показывающая влияние количества дислокаций на прочность металла [15]. Накопление дислокаций в определенных пределах служит эффективным средством повышения прочности конструкционного материала. Интенсивность формирования дислокаций в существенной мере зависит от кинематики деформационного процесса, которую формирует рабочий инструмент. Можно с уверенностью утверждать, что чем сложнее кинематика процесса, тем эффективнее формируются и развиваются дислокационные процессы в упрочняемом материале.
В основе возникновения остаточных напряжений обычно лежат необратимые объемные изменения материала [8]. Следовательно, для того чтобы повысить величину остаточных напряжений необходимо увеличить объем деформированного материала в очаге деформации.
Целью данной работы является разработка кинематики рабочего инструмента для изменения напряжённо-деформированного состояния в очаге упругопластической деформации и повышения остаточных напряжений сжатия при ППД.
Схемы поверхностного пластического деформирования. Рассмотрим рис. 1, где представлены схемы нагружения деформирующим инструментом. Схема на рис. 1, а характеризует одноразовое локальное нагружение шаром. Схема на рис. 1, б представляет собой процесс упрочнения, основанный на вращении рабочего инструмента в процессе деформирования. Схема на рис. 1, в представляет собой орбитальное воздействие деформирующего инструмента, которое осуществляется за счет вращения нагруженного индентора относительно вертикальной оси. При этом траектория вращения осевой линии индентора образует в пространстве коническую поверхность с углом при вершине α. Новая кинематика рабочего инструмента, на наш взгляд, должна способствовать повышению интенсивности напряжений в зоне нагружения, так как каждый очаг деформации дополнительно обкатывается шаром по сферической поверхности лунки.
Моделирование процессов нагружения. Анализ напряженно-деформированного состояния деформируемого металла выполнен с использованием CAD/CAE системы ANSYS. Влияние кинематики деформирующего инструмента на напряженное состояние в очаге деформации и остаточных напряжений после разгрузки исследовали на пластинах, которые нагружали индентором, имеющим стержневую форму со сферическим наконечником.
Моделирование механики процесса локального нагружения проведено при неизменных параметрах материала заготовки: материал – сталь 45 упругопластический, упрочняющийся; модуль упругости E = 2×105 МПа; коэффициент Пуассона µ = 0,3; диаграмма деформирования материала – билинейная, описываемая пределом текучести 
, модулем упругости E и модулем упрочнения ET = 1,45×103 МПа.
В соответствии с принятой постановкой моделирования процесса упрочняющей обработки ППД создавалась конечно-элементная модель, состоящая из обрабатываемой заготовки и индентора. Заготовка моделировалась как упругопластическое, а индентор – как абсолютно жесткое тело, тепловое явление не учитывалось, коэффициент трения в зоне контакта без вращения принят h = 0,2, а с вращением nист = 500 мин-1 принят h = 0,1; наклонный угол индентора α = 15°.
Данные для проведения исследования: индентор представляет собой полушар из сплава ВК8 радиусом 5 мм; заготовка (образец) из стали 45 размером 20х20х20 мм; глубина внедрения полушара 0,2 мм.
Результаты компьютерного моделирование. На рис. 2 представлены для примера фрагменты программы, содержащие результаты определения интенсивности временных и остаточных напряжений в зависимости от способа нагружения образца.
Анализ распределения интенсивности полей временных напряжений (рис. 2, а) показывает, что при статическом внедрении индентора (см. рис. 1, а) поле напряжений действуют в большем объеме образца, чем при вращении индентора, но по абсолютной величине при статическом нагружении максимальные напряжения ниже, чем при вращении индентора.
Поля распределение интенсивности остаточных напряжений имеют более сложную картинку по сравнению с временными напряжениями. Установлено, что при более сложной кинематике рабочего инструмента, интенсивность остаточных напряжений сжатия возрастает (рис. 2, а).
На рис. 3 представлено изменение интенсивности напряжений и главных компонентов тензора напряжений во времени при разных схемах нагружения деформирующего инструмента.
Простое внедрение индентора (см. рис. 1, а) в поверхность образца обеспечивает упруго - пластическое деформирование металла, характерное поведению металла при испытании на растяжение. Сначала происходит упругая деформация, затем упруго пластическая, которая значительно больше, чем при испытании на растяжение. Далее поддержается во времени чисто пластическая деформация, которая проходит при постоянном напряжении. После снятия нагрузки с индентора процесс разгрузки происходит относительно быстро и в металле формируются остаточные напряжения ( рис. 3, а).
При нагружении вращающего индентора (см. рис. 1, б), кривая деформирования похожа на кривую, полученную при внедрении индентора без вращения. Однако кривая пластического деформирования имеет более сложный характер, который объясняется тем, что при вращении индентора за счет дополнительных сил трения скольжения происходит более сложные деформационные процессы в поверхностных слоях, что приводит к росту напряженного состояния в очаге упругопластической деформации (см. рис. 3, б).
Аналогично, при орбитальном вращении индентора (см. рис. 1, в), кривая деформирования похожа на кривую, полученную при внедрении вращающего индентора вокруг своей оси. Однако орбитальное вращение индентора характеризуется более пульсирующей кривой, которая объясняется тем, что при внедрении инструмента с одновременным вращением, которое образует пространственной конус приводит к «перемешиванию» структуры поверхностного слоя материала. В результате этого материал нагруженного тела находится в условиях сложного напряженного состояния и испытывает пластическую деформацию с накоплением большого числа искажений (см. рис. 3, в). Это приводит к росту интенсивности напряжений в очаге деформации по сравнению с напряжениями при статическом нагружении (см. рис. 3, а).
Анализируя компоненты тензора напряжений в очаге деформации (см. рис. 3), можно отметить, что напряжения sx и sy, действующие в радиальном направлении в очаге деформации равны между собой. Характер их действия аналогичен рассмотренному выше.
Анализ остаточных напряжений после разгрузки образца показал, что чем сложнее кинематика деформирующего инструмента, тем большую величину достигают остаточное напряжение сжатия. Это относится как к компонентам тензора остаточных напряжений, так и к интенсивности остаточных напряжений. Следует отметить, что во всех случаях нагружения в поверхностных слоях образца возникают остаточные напряжения сжатия, которые распространяются на глубине 4…5 мм (рис. 4).
Для удобства сравнения и анализа результатов расчета напряженного состояния в очаге деформации и в упрочненных образцах данные представлены в таблице.
Как видно из таблицы, способы нагружения образца значительно влияют на изменение величин временных и остаточных напряжений. Качество упрочнения увеличивается за счет интенсификации напряжений в зоне деформации в следующей последовательности: упрочнение без вращения, упрочнение с вращением относительно z‒z, упрочнение с вращением относительно z‒z под углом α. Выявлено, что кинематика деформирующего инструмента влияет на величины временных и остаточных напряжений по всем осям координат Ox, Oy, Oz.
1. Значения компонентов максимальных временных и остаточных напряжений при различных схемах нагружения деформирующего инструмента
|
Схема нагружения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
|
Индентор без вращения |
-1154 |
-1373 |
-2227 |
-373 |
-562 |
-278 |
|
Индентор с вращением относительно z‒z |
-1493 |
-1589 |
-2627 |
-507 |
-561 |
-382 |
|
Наклонный индентор с вращением относительно z‒z под углом α |
-1667 |
-2169 |
-2919 |
-577 |
-631 |
-480 |
Выводы:
1. Результаты компьютерного моделирования и расчеты напряженного состояния при локальном воздействии рабочего инструмента позволили обосновать эффективность нового способа отделочно-упрочняющей обработки – орбитального поверхностного пластического деформирования.
2. Исследование кинематики локального нагружения показало, что имеются новые возможности как для изменения напряженного состояния в очаге упругопластической деформации, так и остаточных напряжений в упрочненных деталях.
3. Повышение интенсивности напряжений в зоне контакта рабочего инструмента с заготовкой может быть эффективно использовано для отделочно-упрочняющей обработки маложестких изделий типа валов и осей. Возможность повышать рабочие напряжения позволяет уменьшить радиальный натяг, и тем самым снизить искривление деталей при обработке.
4. Орбитальное поверхностное пластическое деформирование позволяет повышать величину остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях, а, следовательно, увеличивать работоспособность деталей машин и механизмов.
1. Gorokhov, V.A. Parts Processing with Plastic Deforma-tion. Kiev: Engineering, 1978. – pp. 191.
2. Zaides, S.A., Ngo Kao Kyong.New technological potentialities of finishing-strengthening with surface plastic deformation // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. – 2017. – No.3(69). – pp. 25-30.
3. Gavrilov, S.A. Surface plastic deformation process up-dating based on metal cladding lubricants application // Fric-tion and Lubrication in Machines and Mechanisms. – 2013. – No.4. – pp. 33-39.
4. Matlin, M.M., Lebsky, S.L. Prediction of cold-worked layer depth at combined strengthening // Bulletin of Mechani-cal Engineering. – 2001. – No.4. – pp. 56-58.
5. Suslov, A.G. Parameter Technological Support of Parts Surface Layer State. – M.: Mechanical Engineering, 1987. – pp. 208.
6. Odintsov, L.G. Parts Strengthening and Finishing with Plastic Deformation: reference book. – M.: Mechanical Engi-neering, 1987. – pp. 328.
7. Blyumenstein, V.Yu., Smelyansky, V.M. Technological Succession Mechanics at Stages of Machinery Processing and Operation. – M.: Mechanical Engineering, 2007. – pp. 399.
8. Smelyansky, V.M. Mechanics of Parts Strengthening with Surface Plastic Deformation. M.: Mechanical Engineer-ing, 2002. – pp. 300.
9. Ltbtdev V.A. Efficient Technologies of Surface Plastic Deformation and Combined Processing / under the editorship of A.V. Kirichek. – M.: “Spectrum” Publishing House, 2014. – pp. 403.
10. Technology and Tools of Parts Finishing-Strengthening with Surface Plastic Deformation: reference book: in 2 Vol. Vol.1 / under the general editorship of A.G. Suslov. – M.: Medchanical Engineering, 2014. – pp. 480.
11. Zaides, S.A. Shaft Deformation Processing: mono-graph / S.A. Zaides, V.N. Yemeliyanov, M.E. Popov, E.Yu. Kropotkina, A.S. Bubnov // under the editorship of S.A. Zaides. – Irkutsk: IrSTU Publishers, 2013. – pp. 452.
12. Ngo K.K., Zaides, S.A. Impact of local plastic defor-mation kinematics upon stress-strain state in deformation point // Bulletin of IrSTU. – 2017. – Vol.21. No.3. – pp. 39-47.
13. Zaides, S.A., Ngo Kao Kyong, Bubnov, A.S. Tight Deformation at Metal Processing: monograph. LAP LAMBERT Academic Publishing Germany, 2016. – pp. 231.
14. Matalin, A.A., Iliyashchenko, A.A. Impact of smooth-ing and flattening direction upon roughness and wear-resistance of surfaces worked // Bulletin of Mechanical Engi-neering. – 1975. – No.3. – pp. 74-75.
15. Zuev, L.B., Danilov, V.I. Physical Fundamentals of Material Strength. – M.: “Intellect” Publishers, 2013. – pp. 373.
