сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Муром, Владимирская область, Россия
сотрудник
Муром, Владимирская область, Россия
студент
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ББК 341 Общая технология металлов
ББК 346 Отдельные машиностроительные и металлоперерабатывающие процессы и производства
Оценивается степень значимости влияния параметров элементов ударной системы и материала среды нагружения на эффективность передачи энергии удара в очаг деформации при волновом деформационном упрочнении. Исследования впервые проведены с использованием разработанной комплексной конечноэлементной модели процесса волнового деформационного упрочнения. В результате моделирования различных ударных систем и нагружаемых материалов (сталь 40Х, АМГ6, ВТ1-0), оценки эффективности передачи энергии удара в очаг деформации установлено преимущественное влияние параметров бойка, существенное влияние соотношения длин бойка и волновода и наименее значимое влияние материала среды нагружения (1…10 %).
энергия удара, импульс, ударная система, моделирование, среда нагружения, волновод, боек, волновое деформационное упрочнение
Введение
В целях повышения сопротивления контактному выкрашиванию, дробления зерен до наноразмерного уровня, получения регулярных естественно армированных структур на глубине до 6…10 мм целесообразно применять метод поверхностного пластического деформирования (ППД) - волновое деформационное упрочнение (ВДУ) [1-3].
Отличием ВДУ от других динамических методов ППД является наличие ряда управляемых специфических конструктивно-технологических параметров, позволяющих обеспечивать более тонкое управление процессом при воздействии на упрочняемую поверхность ударными импульсами. Это позволяет обеспечивать в широком диапазоне значений требуемую глубину, степень и равномерность упрочнения [1-4]. Однако проблема повышения эффективности ударных систем для ВДУ не теряет своей актуальности, так как параметры элементов ударной системы оказывают определяющее влияние на результаты упрочнения.
Ранее исследовалась возможность повышения эффективности передачи энергии ударного импульса при ВДУ за счет изменения геометрических размеров элементов ударной системы. Эффективность процесса передачи энергии ударного импульса оценивается по величине п (%), равной отношению энергии импульса в очаге деформации к энергии удара бойка по волноводу. В результате исследований установлено, что в стержневой ударной системе с плоскими торцами с отношением длины бойка L1 к его диаметру d1 в диапазоне 5…10 и соотношением длин бойка L1 и волновода L2 в диапазоне 1…10 возможно сообщение не менее 80 % энергии ударного импульса в среду нагружения. Экспериментальная проверка теоретических расчетов проводилась при равенстве диаметров бойка d1 и волновода d2 в диапазоне 15<d1=d2<
В фундаментальных работах Е.В. Александрова, О.Д. Алимова, В.Э. Еремьянца установлено, что на эффективность ударного воздействия большое влияние оказывает соотношение длин и площадей контактных сечений бойка и волновода. Так как элементы ударной системы (боек и волновод) - цилиндрические стержни, указанная закономерность вырождается в соотношение длин и соотношение диаметров бойка и волновода. Кроме геометрических размеров элементов ударной системы влияние оказывает еще и нагружаемая среда [5-8].
Целью данной работы является исследование степени влияния среды нагружения на эффективность передачи энергии ударного импульса в очаг деформации при волновом деформационном упрочнении.
Для проведения исследований в специализированной программе разработана конечно-элементная модель ударной системы, состоящая из бойка и статически поджатого к среде нагружения волновода. Эффективность ударной системы оценивалась по отношению энергии ударного импульса, сообщаемого в очаг деформации с учетом материала среды нагружения, к энергии удара бойка по волноводу.
Материалы, методы и результаты исследований
В настоящее время для исследования высокоскоростных процессов (~10-5с) деформационного воздействия достаточно часто применяется их моделирование в специализированных программах, основанных на методе конечных элементов. Это связано с высокой точностью получаемых результатов и большим набором инструментов для анализа. К таким программам относится и LS-DYNA, на базе которой проводились исследования.
Моделирование процесса ВДУ происходило в несколько этапов. На первом этапе создавались модели материалов сред нагружения. Для исследований взяты три материала, отличные по физико-механическим свойствам: сталь 40Х, сплав АМг6 и титан ВТ1-0. Из имеющихся в программе LS-DYNA моделей пластических деформаций выбрана модель Johnson-Cook. Выбор данной модели обоснован точным описанием процесса протекания пластических деформаций с точки зрения физики процесса ВДУ. При этом модель Johnson-Cook является эмпирической и позволяет учитывать эффекты изотропного и кинематического упрочнения, изменение температуры и связанное с этим изменение прочности [9; 10]. Для заполнения шаблона модели Johnson-Cook для каждого выбранного материала вводились значения: плотности, удельной теплоемкости, предела текучести, константы упрочнения, экспоненты упрочнения, константы скорости деформации, степени термического разупрочнения, температуры плавления, скорости деформации, модуля сдвига, коэффициента Грюнайзена, параметра С1, параметра S1, квадратичного параметра S2. Одна часть данных для заполнения шаблона модели материала бралась из справочной литературы, другая часть получена в результате проведения соответствующих испытаний выбранных материалов на лабораторном оборудовании [4].
На втором этапе создавалась модель ударной системы. Она состоит из бойка и волновода, имеющих форму стержней с плоскими торцами. Волновод одним плоским торцом статически поджимался к среде нагружения, а по другому его плоскому торцу боек наносил единичный удар со скоростью V. Во всех экспериментах скорость удара бойка зависела от его массы (исходя из условия постоянства энергии удара), равной 35 Дж. Это позволяет сравнивать результаты моделирования с данными ранее проведенных (при такой же энергии удара) натурных и вычислительных экспериментов. Эксперименты по выявлению влияния сред нагружения (АМг6 и ВТ1-0) на эффективность передачи энергии ударного импульса проводились в условиях, аналогичных ранее проведенным экспериментам для стали 40Х. Моделировались ударные системы: с отношением длины бойка L1 к его диаметру d1 в диапазоне 1…10; с отношением длины бойка L1 к длине волновода L2 в диапазоне 1…10; с диапазоном величин диаметров бойка и волновода d1=d2=30, 48,
На третьем этапе оценивалась энергия полученного в результате моделирования ударного импульса (согласно методике, изложенной в [1; 4]). Смоделированные импульсы соответствовали экспериментальным, имели фронты спада и нарастания; в зависимости от условий эксперимента формировалась хвостовая часть ударного импульса - как результат действия отраженных волн. Адекватность полученных ударных импульсов (их форма, длительность, амплитуда) оценивалась их сравнением с экспериментальными данными, полученными при аналогичных условиях на специализированном полноразмерном стенде, предназначенном для изучения волновых процессов при ВДУ. Полученные в результате моделирования значения соответствуют результатам эксперимента с уровнем доверительной вероятности 0,95.
Анализ эффективности передачи энергии ударного импульса в зависимости от параметров ударной системы и материала сред нагружения представлен на рисунке.
Так, в ударных системах с диаметрами бойка и волновода, равными 30 мм, влияние материала среды нагружения прослеживается только в ударных системах с низкой энергоэффективностью (n не более 37 %) с параметрами L1/d1=1, L1/L2=1…10. При использовании таких ударных систем и работе со сплавами АМг6 и ВТ1-0 удалось передать в среднем больше на 10,2 и 6,7 % соответственно по сравнению со сталью 40Х. Во всех других рассматриваемых ударных системах влияние среды нагружения на результаты ВДУ находилось в пределах 1-2 %.
В ударных системах с диаметром бойка и волновода
а)
б)
в)
Рис. Диаграмма зависимости доли передаваемой в очаг деформации энергии ударного импульса (n) от отношения параметров ударной системы (L1/d1 и L1/L2) и материала нагружаемой среды: а - ударные системы диаметром 30 мм; б - ударные системы диаметром 48 мм; в - ударные системы диаметром 60 мм
(обозначения материалов сред нагружения: - сталь 40Х; - АМГ6; - ВТ1-0)
При диаметре бойка и волновода, равном
Заключение
В результате разработки конечноэлементной модели ударной системы с промежуточным звеном (волноводом) и выполненного исследования выявлены новые закономерности влияния параметров элементов ударной системы и материала среды нагружения на эффективность передачи энергии ударного импульса при волновом деформационном упрочнении. Установлено, что:
1. Наиболее значимое влияние на долю передаваемой энергии ударного импульса оказывают параметры бойка, изменение которых в рассмотренном диапазоне позволяет в 15,6 раза повысить эффективность ударной системы.
2. Следующим по значимости фактором, оказывающим существенное влияние на эффективность передачи энергии ударного импульса, является соотношение длин бойка и волновода, изменение которого в исследованном диапазоне значений позволяет в 2,8 раза повысить долю передаваемой энергии.
3. Наименьшее влияние на эффективность передачи энергии удара в очаг деформации ударной системой оказывает материал среды нагружения - 1…3 % для рациональных значений соотношений параметров элементов ударной системы (n более 80 %). При вынужденном выборе менее эффективных ударных систем (L1/d1=1; L1/L2=1…10; n менее 62 %) влияние материала среды нагружения более значимо и может составлять 6…10 %.
Выбор параметров элементов ударной системы генератора импульсов для волнового деформационного упрочнения различных материалов с учетом выполненного теоретического исследования позволит более тонко управлять процессом и получить максимальный эффект от ВДУ, а также оптимизировать габаритные размеры генератора импульсов в зависимости от требуемой мощности.
1. Киричек, А.В. Технология и оборудование ста-тико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. - М.: Машино-строение, 2004. - 288 с.
2. Киричек, А.В. Влияние параметров гетероген-ной структуры на сопротивление контактному выкрашиванию / А.В. Киричек, С.В. Баринов // Вестник Брянского государственного техниче-ского университета. - 2015. - № 4 (48). - С. 54-58.
3. Киричек, А.В. Микроструктурные изменения в стали 45, вызванные волновым деформацион-ным упрочнением / А.В. Киричек, С.В. Баринов, С.В. Давыдов, А.В. Яшин, А.А. Зайцев, А.М. Константинов // Вестник Брянского государст-венного технического университета. - 2017. - № 8 (61). - С. 79-85.
4. Механика нагружения поверхности волной де-формации / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Ю.С. Степанов, Д.Л. Соловьев. - М.: Машинострое-ние-1, 2005. - 149 с.
5. Александров, Е.В. Прикладная теория и расчеты ударных систем / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский. - М.: Наука, 1969. - 201 с.
6. Алимов, О.Д. Расчет ударных систем с нетор-цевым соударением элементов / О.Д. Алимов, В.К. Манжосов, В.Э. Еремьянц, Л.М. Марты-ненко. - Фрунзе: Илим, 1979. - 109 с.
7. Eremjants, V.E. Two-layer plate stress condition under longitudional impact by tools resting on the plate / V.E. Eremjants, V.V. Niu // Modern prob-lems of theory of mashines. - North Charleston: GreateSpace, 2016. - № 4 (1). - P.123-127.
8. Eremyants, V.E. About selection of parameters of hydraulic vibro-impact machines for surface clean-ing / V.E. Eremyants, V.V. Nju // Journal of Ad-vanced Research in Technical Science. - 2016. - Is. 2. - P. 20-24.
9. Соболев, А.В. Использование модели пластич-ности Джонсона - Кука в численном моделиро-вании бросковых испытаний контейнеров для транспортирования ОЯТ / А.В. Соболев, М.В. Радченко // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2016. - № 3. - С. 82-93.
10. Kuz’kin, V.А. Numerical modeling usage to identify parameters of Johnson-Cook model for high_speed aluminum deformation / V.А. Kuz’kin, D.S. Mihalyuk // Vychislitej’naya mehanika sploshnyhsred. – 2010. - V. 3. - № 1. - Р. 32-43.
