Расчетное определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при дорновании отверстий с учетом теплового и силового воздействий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Расчетное определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при дорновании отверстий с учетом теплового и силового воздействий

05.02.08 - Технология машиностроения

кандидата технических наук

Голованов Дмитрий Сергеевич

Рыбинск, 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Киричек Андрей Викторович

кандидат технических наук, доцент Проскуряков Сергей Львович

Ведущая организация: ОАО Гаврилов-Ямский машиностроительный завод «АГАТ»

Защита состоится «10» февраля 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва

Автореферат разослан «26» декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из главных направлений развития современного машиностроения является освоение прогрессивных технологий, достижение заданных показателей качества поверхностного слоя металлов и сплавов, определяющих требуемые эксплуатационные свойства. Надежность и долговечность работы деталей машин в значительной степени зависят от структуры материала и параметров качества поверхностного слоя деталей (микротвердости, шероховатости, остаточных напряжений), которые задаются при проектировании и формируются различными технологическими процессами обработки.

С целью получения благоприятных показателей качества поверхностного слоя в отверстиях деталей широкое распространение находят методы дорнования, основная цель которых наряду с повышением точности обработки и обеспечения параметров шероховатости, создание в поверхностном слое наклепа и сжимающих остаточных напряжений, в ряде случаев повышающих эксплуатационные свойства деталей. Поэтому важной задачей современной технологии машиностроения является установление обобщенных зависимостей остаточных напряжений от наиболее важных технологических параметров: режимов обработки, геометрических параметров инструмента и детали, механических и теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов

В связи с этим данная диссертация посвящена разработке расчетных методов определения остаточных напряжений при дорновании с учетом одновременного действия температурного и силового факторов - основных причин формирования остаточных напряжений.

Цель работы заключается в разработке расчетного метода определения остаточных напряжений при дорновании с учетом температурного и силового факторов и создание методики назначения режимов обработки в зависимости от требуемых остаточных напряжений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Получить теоретические уравнения для расчета температурного поля в поверхностном слое обрабатываемых деталей, возникающего от действия источников тепла, в зоне обработки.

2. Получить теоретические уравнения для расчета остаточных напряжений, возникающих от действия силового фактора.

3. Разработать методику расчета остаточных напряжений с учетом суммарного действия температурного и силового напряженных полей, учитывающих широкий комплекс технологических параметров процесса дорнования: режима обработки, геометрии инструмента, термомеханических свойств обрабатываемого и инструментального материалов и других.

4. Провести теоретическое исследование влияния отдельных параметров процесса обработки на характер распределения и величину остаточных напряжений в поверхностном слое.

5. Выполнить качественное и количественное сопоставление теоретически и экспериментально определенных значений остаточных напряжений при дорновании сталей и сплавов.

6. На основе установленных теоретических зависимостей остаточных напряжений от основных технологических факторов разработать методику определения режимов обработки по заданной величине и глубине залегания остаточных напряжений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимосвязи остаточных напряжений в поверхностном слое с технологическими параметрами обработки.

2. Методика расчетного определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали при дорновании с учетом температурного и силового факторов.

3. Методика определения технологических условий обработки с учетом заданной величины остаточных напряжений.

Научная новизна заключается в установлении зависимостей для определения остаточных напряжений, на основании которых достигаются заданные показатели качества поверхностного слоя металлов и сплавов, на основе одновременного учета теплового и силового воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики определения технологических условий обработки с учетом заданной величины остаточных напряжений в поверхностном слое детали.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция «XXXIII Гагаринские чтения», Москва 2007; Международная конференция «XXXIV Гагаринские чтения», Москва 2008; Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве», Камышин 2008; Международная конференция «XXXV Гагаринские чтения», Москва 2009, а также на научных семинарах кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева.

Публикации. По тема диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 - в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка используемых источников. Объем работы - 170 страниц машинописного текста, включающего 80 рисунков, списка использованных источников из 95 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика направлений исследований, научного и практического значения решаемой проблемы.

В первой главе. Выполнен анализ работ по изучению остаточных напряжений на эксплуатационные показатели работы деталей машин, к которым относятся работы Кравченко Б. А., Маталина А. А., Сулимы А. М., Овсеенко А. Н., Суслова А. Г., Мухина В. С., Смоленцева В. П., Папшева Д. Д., Проскурякова Ю. Г., Дальского А. М., Киричека А. В. и других.

Проблеме исследования остаточных напряжений посвящен целый комплекс работ. К их числу относятся работы Абрамова В. В., Кравченко Б. А., Макарова А. Д., Макарова В. Ф., Мухина В. С., Маталина А. А., Силина С. С., Исаева А. Н., Безъязычного В. Ф., Шаровой Т. В. и многих других. Анализ существующих теоретических исследований по определению остаточных напряжений показал, что они формируются от совместного действия температурного и силового полей. Имеющиеся теоретические зависимости для определения остаточных напряжений при дорновании учитывают, как правило, преимущественное влияние лишь силового фактора. Отсутствует методика теоретического расчета остаточных напряжений, учитывающих влияние основных факторов процесса обработки (режимов обработки, геометрии инструмента, физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов).

Вторая глава посвящена теоретическому анализу температурных полей в поверхностном слое изделия с учетом объемного кольцевого источника тепла и разработке на этой основе теоретических зависимостей для определения остаточных напряжений от действия температурного и силового воздействий на поверхностный слой. На основе исследования температурных полей в зоне обработки представляется возможным решение такой проблемы, как теоретический расчет температурных деформаций изделия, термических напряжений в нем, точности обработки и, как следствие этого, назначение требуемых режимов обработки. Наибольшее распространение при теоретических расчетах тепловых явлений различных технологических процессов получил метод источников тепла, разработанный академиком Н. Н. Рыкалиным и широко использованном в работах А. Н. Резникова, А. В. Подзея, С. С. Силина, В. Ф. Безъязычного, Н. В. Талантова и других. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача определения температуры в поверхностном слое изделия от действия объемного кольцевого источника тепла ABKNN₁A₁A₂ Д₁ДA в соответствии с принятой расчетной схемой (рис. 1).

Рис.1. Расчетная схема к определению температурного поля в изделии при дорновании от действия объемного источника тепла

Задача формулируется следующим образом: «в бесконечном теле быстро со скоростью V в направлении отрицательного Х движется объемный кольцевой источник тепла ABKNN₁A₁A₂ Д₁ДA сложной конфигурации. Скорость движения источника тепла превышает скорость распространения тепла в твердом теле, т.е. источник является быстродвижущимся. Считаем известными законы распределения интенсивностей тепловыделения на участках КВ, NA, АД, полагая их постоянными по глубине в направлении оси Y. В начальный момент времени температура тела равна нулю. Требуется определить температурное поле развивающееся вокруг кольцевого источника тепла в движущейся вместе с источником системой координат с началом в т. О, расположенной на оси детали».

Результирующая температура в изделии определяется суммой температур от источников ABKNA, ANN₁ A₁ A, АА₂ Д₁ ДА:

и_У=и₁+и₂+и₃ (1)

где и₁ - температура от источника ABKNA, возникающего в зоне основных пластических деформаций подминаемого припуска и является следствием процессов сдвига подминаемого слоя; и₂ - температура от источника ANN₁ A₁ A, возникающего в зоне опережающих пластических деформаций; и₃ - температура от источника АА₂ Д₁ ДА, возникает в зоне контакта цилиндрической ленточки инструмента с обрабатываемой поверхностью и является следствием процесса трения и пластических деформаций на цилиндрической поверхности инструмента.

Уравнение температурного поля от действия быстродвижущегося кольцевого источника тепла на поверхности детали будет описываться следующим уравнением:

(2)

где и - температура в заданной точке поверхностного слоя; q - интенсивность источника; сс - объемная теплоемкость материала обрабатываемой детали; V - скорость дорнования; x₀, ц₀ - координата по оси X и угол теплового источника, x, ц - координата по оси X и угол расположения рассматриваемой точки; R - радиус отверстия детали; r - текущий радиус рассматриваемой точки; a - температуропроводность материала детали; ф, ф₁- время охлаждения и нагревания детали в процессе обработки.

Таким образом, уравнение температурного поля от действия объемного кольцевого источника тепла ABKNA связано с интегрированием следующего выражения:

(3)

где q_АВ - интенсивность тепловыделения в плоскости сдвига АВ; b - коэффициент температуроотдачи; в₁- угол наклона плоскости сдвига; Д₁ - проекция плоскости сдвига на ось X; Д₂ - протяженность наклонного источника вдоль оси Х;

Решение задачи определения температурного поля в поверхностном слое изделия от действия быстродвижущегося объемного кольцевого источника тепла ANN₁ A₁ A предполагается интегрированием следующего выражения:

(4)

где q'_АВ - интенсивность тепловыделения второго объемного источника тепла.

температурный силовой напряженный обработка

Для уравнения температурного поля от действия источника AA₂ Д₁ ДA необходимо интегрирование следующего выражения:

(5)

где q"_АВ - интенсивность тепловыделения третьего объемного источника тепла; Д₃ - протяженность третьего объемного источника тепла вдоль оси Х.

Интегралы (3), (4) и (5) относится к числу неберущихся. Поэтому расчеты температурных полей производились на компьютере в программе Mathcad Professional для конкретных значений безразмерных комплексов. На основании проведенных расчетов было изучено влияние на температуру в поверхностном слое детали при различной глубине подминаемого припуска, радиуса обрабатываемого отверстия, скорости дорнования, свойств обрабатываемого материала и получена следующая зависимость:

(6)

где Б - критерий, характеризующий степень влияния режимных условий процесса по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала; В - критерий, характеризующий условия пластического деформирования подминаемого припуска; ф_P - сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; - величина относительного натяга при дорновании; С, Х, Х₁, Х₂, Х₃ - величины, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материалов, геометрии инструмента, режимов обработки.

В данной работе аналитический метод расчета температурных остаточных напряжений основан на методе В. В. Абрамова, в основе которого лежит метод расчленения тела. С использованием теоретической формулы (6) для определения температуры в поверхностном слое детали получены теоретические формулы для расчета температурных остаточных напряжений.

При определении тепловых напряжений в деталях типа "вал с отверстием" формула для определения тангенциальных температурных напряжений в области упругих деформаций имеет следующий вид:

(7)

где r_Н - наружный радиус обрабатываемой детали; в_d - коэффициент линей-

ного температурного расширения обрабатываемого материала; м - коэффициент Пуассона и Е - модуль упругости обрабатываемого материала.

При упругопластических деформациях, формула для определения тангенциальных температурных напряжений в области пластических деформаций будет иметь следующий вид:

 (8)

где r_он - радиус, являющийся границей раздела упругих и пластических деформаций в поверхностном слое при нагревании; у_Т - предел текучести обрабатываемого материала.

Остаточные напряжения определяются как результирующие напряжения при нагревании и охлаждении, т.е.

(9)

На основе использования теоремы Генки о разгрузке, положений теории упругости и пластичности получены уравнения для остаточных напряжений от действия силового фактора.

Напряжения, создаваемые действием сил на обработанную поверхность со стороны заборной поверхности инструмента, определяются следующими уравнениями:

(10)

где с₁ - угол внешнего трения; б - угол заборного конуса; h - глубина залегания опережающих пластических деформаций.

Напряжения, создаваемые действием сил, приложенных к кольцевой поверхности инструмента, определяются последующим формулам:

(11)

где R₁ - сила, действующая по цилиндрической поверхности дорна; с₂ - угол трения по задней поверхности инструмента; h₁ - глубина пластической деформации в поверхностном слое.

Суммарные остаточные напряжения определяются алгебраической суммой температурных и силовых остаточных напряжений.

Теоретические уравнения для определения суммарных остаточных напряжений содержат в себе все величины, известные до опыта, поэтому позволяют прогнозировать режимы обработки и геометрию инструмента с целью обеспечения заданной величины и глубины залегания остаточных напряжений.

В третьей главе рассматриваются вопросы экспериментального обоснования полученных теоретических уравнений для определения остаточных напряжений. В качестве материалов для исследования были приняты технически чистое железо (Армко), качественная углеродистая сталь 20 и 45, углеродистая инструментальная сталь У8. Экспериментальная проверка предусматривала выявление как качественной стороны правильности построения теоретической модели определения остаточных напряжений, так и количественного соответствия теоретических и экспериментальных значений остаточных напряжений.

По результатам исследований сделан вывод о том, что теоретические и экспериментальные напряжения изменяются качественно одинаково при изменении технологических параметров в исследуемом диапазоне изменения последних.

Практическому использованию результатов исследования посвящена четвертая глава. На основе полученных моделей предложена методика расчетного определения остаточных напряжений (рис.2). Работа алгоритма заключается в следующем: вводятся свойства обрабатываемого и инструментального материалов, геометрические параметры инструмента и обрабатываемой детали, режимы обработки. По формуле (6) производится расчет температуры в поверхностном слое детали и соответствующих ей температурных остаточных напряжений. Затем производится расчет силовых остаточных напряжений. Результат работы данного алгоритма заключается в определении суммарных остаточных напряжений с учетом температурного и силового факторов.

На рисунке 3 представлен алгоритм определения технологических условий обработки с учетом заданной величины остаточных напряжений, механических и теплофизических свойств обрабатываемого материала и материала обрабатывающего инструмента.

Основные результаты и выводы

1. Решение задачи по теоретическому определению температурного поля в поверхностном слое обрабатываемой детали с учетом объемного кольцевого источника тепла показало, что температура поверхностного слоя определяется суммой температур от действия трех источников тепла, действующих в зоне обработки: источника тепла, действующего в зоне основных пластических деформаций подминаемого припуска, источника тепла, действующего в зоне опережающих пластических деформаций, и источника тепла, являющегося следствием процессов трения и пластической деформации по кольцевой поверхности инструмента.

Рис.2. Алгоритм расчета остаточных напряжений

Рис.3. Алгоритм определения технологических условий обработки с учетом заданной величины остаточных напряжений

2. Установлено, что теоретическое уравнение для температурного поля в изделии зависит от следующих технологических параметров, характеризующих процесс обработки: механические и теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов, режим обработки и геометрия инструмента.

3. На основе расчетов температурных полей получена упрощенная зависимость для определения температуры в поверхностном слое детали, которая представлена в критериальном виде и необходимая для дальнейших расчетов остаточных напряжений.

4. На основе полученной теоретической зависимости для максимальной температуры в поверхностном слое детали решены задачи по теоретическому определению температурных остаточных напряжений при дорновании.

5. Решение задачи по теоретическому определению остаточных напряжений от действия сил возникающих при обработке, действующих по заборной и кольцевой поверхностям инструмента, показало, что в отличие от температурных остаточных напряжений, которые во всех случаях являются растягивающими, остаточные напряжения от силового фактора, являются сжимающими, на значительной глубине переходящие в растягивающие.

6. С использованием метода суперпозиции определены суммарные остаточные напряжения в поверхностном слое детали путем алгебраического сложения напряжений от температурного и силового факторов. Разработанный алгоритм расчета суммарных остаточных напряжений позволил рассчитывать значения напряжений в поверхностном слое с учетом технологических условий обработки.

Выявлено, что в зависимости от условий обработки может проявляться превалирующее влияние либо силового, либо температурного факторов. В общем случае нельзя сводить расчет остаточных напряжений в поверхностном слое основываясь на преимущественном влиянии одного из них.

7. Для практического использования результатов исследования на производстве разработаны:

7.1. Инженерная методика расчетного определения остаточных напряжений при дорновании сталей и сплавов;

7.2. Инженерная методика для определения режимов обработки, обеспечивающих заданную величину и глубину залегания остаточных напряжений, выбираемых из условий максимальной долговечности и надежности работы деталей, а также соображений технологической наследственности.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

1. Голованов, Д. С. Влияние теплового фактора возникающего в поверхностном слое при дорновании отверстий на эксплуатационные свойства деталей машин [Текст] / Д. С. Голованов // Гагаринские чтения: тезисы докладов XXXIII междунар. молодежн. науч. конф. - Москва, 2007. - С. 53 - 54.

2. Голованов, Д. С. К методике расчетного определения параметров состояния поверхностного слоя при обработке поверхностей деформирующими протяжками [Текст] / Д. С. Голованов // Машиностроение и Техносфера XXI века: сборник трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе в 5 т. Т.I, г. Донецк, ДонНТУ, 2007. - С. 189 - 192.

3. Голованов, Д. С. К методике расчета остаточных напряжений при дорновании [Текст] / Д. С. Голованов // Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб. науч. трудов VI междунар. науч.-техн. конф. в 3-х т. Т.II под ред. П. А. Витязя, С. А. Астапчика, г. Новополоцк, УО ПГУ, 2007. - С. 192 - 195.

4. Голованов, Д. С. Остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое обрабатываемой детали после деформирующего протягивания [Текст] / Д. С. Голованов // Вестник РГАТА. - 2007. - №1. - С. 187 - 190.

5. Голованов, Д. С. Анализ температурных полей в поверхностном слое с учетом объемного характера источников тепла при дорновании [Текст] / Д. С. Голованов // Гагаринские чтения: тезисы докладов XXXIV междунар. молодежн. науч. конф. - Москва, 2008. - С. 43 - 44.

6. Голованов, Д. С. Разработка математической модели формирования остаточных напряжений с учетом температурного и силового факторов при дорновании [Текст] / Т.В. Шарова, Д. С. Голованов // Справочник. Инженерный журнал. - 2008. - №. 8- С. 22-25 .

7. Голованов, Д. С. Использование температурного фактора для создания благоприятных остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных пластическим деформированием отверстий деталей [Текст] / Д. С. Голованов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы V всероссийской науч.-практ. конф. в 3-х т. Т. II, г. Камышин, 2008. - С. 28 - 31.

8. Голованов, Д. С. Суммарные остаточные напряжения при дорновании отверстий от действия температурного и силового полей [Текст] / Д. С. Голованов // Гагаринские чтения: тезисы докладов XXXV междунар. молодежн. науч. конф. - Москва, 2009. - С. 43 - 44.

Размещено на Allbest.ru