close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Расчет остаточных напряжений при точении поверхности с износостойкими покрытиями..pdf

код для вставкиСкачать
машиностроение
Васькин К.Я.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ...
УДК 621.9.539.4
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ТОЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ
С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ
© 2012
К.Я. Васькин, кандидат технических наук, доцент кафедры
«Оборудование и технология машиностроительных производств»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
______________________________________________________________________________
Ключевые слова: остаточные напряжения; поверхность; точение; износостойкие покрытия.
Аннотация: Современному машиностроению характерны все более ужесточающиеся требования
к узлам и деталям по прочности материала и по выносливости. Средством обеспечения высоких
показателей по циклической прочности является лезвийная обработка с фиксированным уровнем
остаточных напряжений. Разработана расчетная методика для определения величины и распределения по глубине остаточных напряжений при токарной обработке.
ВВЕДЕНИЕ
Для современного машиностроения характерно
возрастание требований к узлам и деталям машин не
только по прочности, но и по выносливости (циклической прочности) материала. Это обуславливает во
многих случаях исключение шлифования на финишных операциях и замена ее лезвийной обработкой.
Это связано с тем, что для шлифования характерны
остаточные растягивающие напряжения, а для лезвийной обработки – остаточные напряжения сжатия,
повышающие циклическую прочность детали. Особенно актуально управление характером остаточных
напряжений, при обработке износостойких напыленных покрытий. Если пик сжимающих напряжений
приходится на границу покрытие-подложка, это отрицательно влияет на усталостную выносливость детали из-за возможного отслоение покрытия. Следовательно, возникает задача контроля уровня и характера
распределения напряжений по глубине при лезвийной
обработке.
Целью настоящей работы является разработка расчетной методики определения величины и распреде-
ления по глубине остаточных напряжений при токарной обработке.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В алгоритме расчета (рис. 1) положен принцип
минимизации использования в исходных данных
величин, при определении которых, необходимо
проводить эксперименты на технологическом
оборудовании.
В качестве основы приведенного на рис. 1 алгоритма
расчета величины и характера распределения
напряжений при точении, положена зависимость (1).
Формула представляет эмпирическую зависимость,
включающую ширину площадки износа и геометрию
резца [1 – 3, 8, 9].
(1)
В формуле (1) s – подача, мм/об; hз – ширина
площадки износа на задней поверхности резца, мм;
δ – угол резания; V – скорость резания, м/мин; С, х –
экспериментально определяемые коэффициенты.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ГЛУБИНА ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СЛОЯ
- от воздействия передней поверхности hпл1
- от воздействия задней поверхности
hпл1>hпл2
hпл2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
ПО ГЛУБИНЕ
σ=f2(x) x=0… hпл2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ГЛУБИНЕ
σ=f1(x) x=0… hпл1
Рис .1. Алгоритм расчета.
60
Вектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
машиностроение
Васькин К.Я.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ...
Назначение остальных исходных данных –
механических характеристик материалов, толщины
и ширины срезаемого слоя, углов инструмента,
режимов резания не требует для своего определения
проведения комплекса экспериментов на станке.
Общий алгоритм расчета остаточных напряжений
предусматривает раздельный учет воздействия
сил, действующих со стороны передней и
задней поверхности инструмента. Учет силовых
зависимостей между контактными площадками
на передней и задней поверхностей инструмента
выполняется с использованием известных из теории
резания зависимостей. Зависимость углов сдвига
и действия, при обработке материалов, дающих
несвязанные элементы стружки, определяется по [1]
и составляет
ω + Ф = 45º ... 50º,
(2)
где ω – угол между равнодействующей силой резания,
приложенной к передней поверхности и вектором
скорости резания,
Ф – угол сдвига.
Коэффициент трения f на передней поверхности
[2] связан с коэффициентом утолщения стружки k и
передним углом g резца
1,27
22500 k 0,0015(90-γ )
f =
(90 - γ ) 2,46
,
(3)
где k – коэффициент утолщения стружки, связанный с
углом сдвига Ф формулой
.
Главная и нормальная составляющие силы резания
со стороны задней поверхности резца [3]:
(4)
PZ 2 = PN 2 = 0,252σ bb hÇ ,
где σb – временное сопротивление разрыву
материала детали, hз – ширина площадки износа на
задней поверхности резца.
Глубина пластически деформированного слоя
от воздействия со стороны передней поверхности
инструмента рассчитывается по алгоритму расчета
остаточных напряжений при точении [4].
Расчет глубины пластической деформации
вызванной
задней
контактной
площадкой
инструмента, основан на методике расчета напряжений
при выглаживании [5], дополненной моделью,
соотносящей процессы контактного взаимодействия
шара и задней поверхности резца [6].
Распределение напряжений по глубине пластически-деформированного слоя рассчитывается методом
последовательных приближений с переменными параметрами упругости [7], с возможностью описания
кривой упрочнения на основе стандартных прочностных характеристик материалов: модуль упругости E,
предел текучести σT, деформация εT при замере предела текучести, предел прочности σП, деформация εП, соответствующая пределу прочности.
Так как кривая σ(ε) представляется в виде двух
отрезков: первый – от 0 до предела пропорциональности,
второй – от предела пропорциональности до предела
прочности, то выражение для расчета имеет вид:
Вектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
,
где
(5)
– угловой коэффициент;
– деформация, соответствующая
пределу пропорциональности;
σП – предел прочности; εП – деформация,
соответствующая пределу прочности;
σТ
– предел текучести; εТ – деформация,
соответствующая пределу текучести; E – модуль упругости; E' – скорректированное значение модуля упругости при деформировании свыше предела текучести;
Использование (5) позволяет повысить точность
расчета за счет более корректного линейного описания диаграммы деформирования.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Проверка модели на адекватность проведена с использованием результатов [8] полученных при точении покрытия ПГ-10Н-01 инструментом из киборита,
откуда взяты значения экспериментальных результатов измерения остаточных напряжений и данные по
процессу резания, необходимые в качестве исходных
для расчета:
• характеристики материала покрытия – предел
прочности σb = 926 МПа, предел текучести σ0,2 =
926 МПа, модуль упругости Е = 3,3·105 МПа, коэффициент Пуассона µ = 0,3;
• характеристики резца – модуль упругости ЕИ =
9·105 МПа, коэффициент Пуассона µИ = 0,3, радиус
при вершине r = 0,5мм, передний угол γ = –11,5о,
главный угол в плане ϕ = 75о;
• зависимость силы резания от условий обработки
,
(6)
,
(7)
,
(8)
где s – подача, мм/об; hЗ – высота фаски износа
инструмента по задней поверхности, мм; δ – угол
резания, градус; V – скорость резания, м/мин.
С ростом высоты площадки износа по задней поверхности резца hз увеличение глубины пластически
деформированного слоя hпл1 от воздействия передней
поверхности резца происходит менее интенсивно, чем
от воздействия задней поверхности резца hпл2. Данные
рис. 2 свидетельствуют о том, что величина высоты
площадки износа по задней поверхности резца hЗ, при
которой глубина пластически деформированного слоя
от воздействия задней поверхности резца превышает
аналогичный показатель от воздействия передней поверхности резца, для рассмотренного случая составляет 0,06 мм. Отклонение результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 10% (табл. 1).
61
машиностроение
Васькин К.Я.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ...
0,9
h ПЛ, мм
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
З, мм
0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,175 h0,2
hпл1
hпл2
эксперимент
Рис. 2. Зависимость глубины пластически
деформированного слоя от ширины площадки износа
на задней поверхности резца: hПЛ1 – от воздействия
передней поверхности резца; hПЛ2 – от воздействия задней
поверхности резца. Режим обработки – скорость резания
V=120 м/мин, подача s = 0,1 мм/об, глубина резания t = 1,5
мм.
Таблица 1. Расчетные и экспериментальные значения глубины пластически деформированного слоя hпл.
Высота
площадки
износа, hЗ,
мм
Результат
Расчет
hПЛ1
Отклонение
Эксперимент,
hПЛЭ
hПЛ2
0,05
0,29
0,265
0,3
3,33%
0,1
0,35
0,455
0,5
9,00%
0,2
0,47
0,835
0,8
–4,37%
Относительное отклонение расчета от эксперимента (таблица 1) не превышает 9 %.
Влияние условий обработки на экспериментальное и расчетное распределение остаточных напряжений исследовано с использованием экспериментальных результатов [9] по точению нержавеющих сталей
инструментом их эльбора Р. Исходные данные для
расчета:
• характеристики обрабатываемых материалов приведены в таблице 2;
• характеристики резца – модуль упругости ЕИ =
8,85·105 МПа, коэффициент Пуассона µИ = 0,3, радиус при вершине r = 0,4мм, передний угол γ= –10о,
угол в плане ϕ = 45о;
• режим резания – скорость резания V = 70м/мин,
подача s=0,04мм/об, глубина резания t = 0,2 мм.
• зависимость силы резания от условий обработки
по (6) – (8)
Таблица 2. Характеристики обрабатываемых материалов.
Характеристика
Предел прочности σb, МПа
Марка стали
12Х2НВФА 13Х3НВМ2Ф
1880
2020
Предел текучести, σ0,2, МПа 1780
2000
Модуль упругости, Е, МПа
2·105
2·105
Коэффициент Пуассона, µ
0,3
0,3
62
На рис. 3 приведены эпюры остаточных напряжений, полученных путем расчета (рис. 3. а)
и в результате эксперимента (рис. 3. б). Отмечено,
что экстремальные значения остаточных сжимающих напряжений располагаются на глубине примерно
0,02 мм от поверхности.
Причем, в обоих случаях, с увеличением подачи
их абсолютные значения и глубина распространения
возрастают. Причиной такого изменения напряжений
при возрастании подачи является то, что при глубине 0,2 мм и подаче 0,16 мм/об формирование обработанной поверхности происходит с существенным
участием вспомогательной режущей кромки инструмента и закономерности, имеющие место при точении
с меньшими подачами, где преимущественно работают главная режущая кромка и вершина резца, не
выполняются.
Влияние подачи на величину значений расчетных
напряжений менее чем экспериментальных данных.
Это объясняется тем, что для расчета сил резания использованы формулы, полученные для обработки напыленного покрытия ПГ-10Н-01, которое является
гораздо более хрупким материалом, чем закаленная
сталь 12Х2НВФА, а для хрупких материалов характерен менее интенсивный рост сил резания при увеличении толщины срезаемого слоя.
Установлена адекватность модели при оценке
влияния прочностных характеристик обрабатываемого материала на значения остаточных
напряжений (рис. 4).
Результаты расчетов (рис. 4 б) показывают, что расчетная схема отражает снижение остаточных напряжений при обработке более прочного материала.
Скорость резания является самым сложным фактором, оказывыающим влияние на характер остаточных
напряжений. На экспериментальных эпюрах (рис. 5а)
с ростом скорости резания происходит сначала увеличение, а затем уменьшение абсолютных значений
остаточных напряжений. Повышение абсолютных
значений остаточных напряжений при увеличении
скорости резания от 40 до 70 м/мин связано со
сложными механизмами упрочнения обрабатываемого
материала при возрастании скорости деформирования
в условиях относительно невысоких температур.
С дальнейшим ростом скорости резания повышается температура резания, обрабатываемый материал
разупрочняется и снижаются силы резания. Это приводит к снижению абсолютных значений остаточных
напряжений как от снижения усилия воздействия резца на деталь так и от температурного фактора. При обработке заготовки поверхностный слой имеет значительную температуру и при последующем остывании,
уровень напряжений сжатия уменьшается.
Расчетные результаты (рис. 5 б) свидетельствуют о
том, что разработанная методика расчета напряжений
отражает снижение остаточных напряжений в соответствие со вторым из описанных механизмов. Изменение остаточных напряжений при переходе к низким
скоростям обработки расчетная методика не описывает. Однако, в современном машиностроении, как правило, используются относительно высокие скорости
резания, при которых остаточные напряжения формируются главным образом за счет температурного
фактора. Следовательно, можно полагать, что разраВектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
машиностроение
Васькин К.Я.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ...
0
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
0
0
-100
-50
-200
-100
-300
-150
-400
-200
-500
-250
-600
-300
-700
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
-350
-800
-400
-900
-450
-1000
-500
s=0,04мм/об
s=0,12мм/об
s=0,08мм/об
s=0,16мм/об
s=0,04мм/об
s=0,12мм/об
Рис. 3. Влияние подачи на остаточные напряжения при точении стали 12Х2НВФА:
s=0,08мм/об
s=0,16мм/об
а – эксперимент, б – расчет.
Рис. 4. Влияние материала заготовки на остаточные напряжения: а – эксперимент, б – расчет.
ботанная методика корректно описывает процесс изменения остаточных напряжений в области практически применимых режимов точения.
С увеличением высоты площадки износа по задней
поверхности резца происходит увеличение абсолютных остаточных напряжений и глубины их залегания.
Расчетные эпюры соответствуют экспериментальным
(рис. 6).
ВЫВОДЫ
Разработанная методика расчета остаточных напряжений при точении позволяет рассчитать глубину
пластически деформированного слоя и распределение
Вектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
остаточных напряжений по глубине.
Установлено, что методика в корректно описывает влияние на величину и распределение остаточных напряжений основных переменных составляющих процесса токарной обработки: подачи,
скорости резания, обрабатываемого материала, величины износа инструмента в области скоростей
резания более 60 м/мин.
Методика может быть использована при назначении и оптимизации режимов финишной токарной обработки, например при обработке поверхностей с износостойкими покрытиями
63
Васькин К.Я.
машиностроение
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ...
Рис. 5. Влияние скорости резания на остаточные напряжения при точении стали 12Х2НВФА: а – эксперимент, б – расчет.
Рис. 6. Влияние высоты фаски износа инструмента на остаточные напряжения при точении стали 12Х2НВФА: а – эксперимент, б – расчет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Развитие науки о резании металлов / Н.Н. Зорев,
В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский и др.
– М.:
Машиностроение, 1967.– 416 с.
2. Розенберг,
А.М.
Механика
пластического
деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания/ А.М. Розенберг,
Ю.А. Розенберг. – Киев: Наук. Думка, 1990. – 158 с.
3. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. – М.:
Машиностроение, 1981. – 279 с.
64
4. Кравченко,
Б.А.
Теория
формирования
поверхностного слоя деталей машин при
механической обработке: Учебное пособие /
Б.А. Кравченко . – Куйбышев: КПтИ, 1981.– 90 с.
5. Кравченко, Б.А.
Теория формирования
поверхностного слоя деталей машин при
механической обработке: Учебное пособие /
Б.А. Кравченко . – Куйбышев: КПтИ, 1981.– 90 с.
6. Васькин, К.Я
Повышение эффективности
токарной обработки заготовок с износостойкими
покрытиями путем сухого электростатического
Вектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
энергетика
Вахнина В.В, Черненко А.Н., Кузнецов В.А.
ВЛИЯНИЕ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА НАСЫЩЕНИЕ...
охлаждения: дисс. … канд. тех. наук: 05.03.01./
Васькин Кирилл Яковлевич – Тольятти, 2005.
– 218c.
7. Биргер,
И.А.
Остаточные
напряжения
/
И.А. Биргер. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.
8. Клименко, С.А. Точение износостойких защитных покрытий/ С.А. Клименко, Ю.О. Муковоз,
Л.Г. Полонский, П.П. Мельничук.– К.: Техника,
1997. – 146с.
9. Круцило, В.Г. Теоретические и экспериментальные исследования остаточных напряжений
в поверхностном слое закаленных сталей при
тонком точении резцами из СТМ: дисс. … канд.
тех. наук: 05.03.01./ Круцило Виталий Григорьевич – Куйбышев, 1979. – 186 с.
CALCULATION OF RESIDUAL PRESSURE AT TURNING SURFACES
WITH WEARPROOF COVERINGS
© 2012
K.Ya. Vaskin, candidate of technical sciences, senior lecturer of the chair
«Equipment and technologies of machine-building manufactures»
Togliatti State University, Tolyatti (Russia)
______________________________________________________________________________
Keywords: residual pressure; surface; turning; wearproof coverings.
Annotation: To modern mechanical engineering more and more becoming tougher requirements to knots
and details on cyclic durability of a material. Means of maintenance of high indicators on cyclic durability
is turning processing with the fixed level of residual pressure. The settlement technique is developed for
definition of size and distribution on depth of residual pressure at turning processing.
УДК 621.314.212:550.385.4
ВЛИЯНИЕ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА НАСЫЩЕНИЕ
МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
© 2012
В.В. Вахнина, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой
«Электроснабжение и электротехника»
А.Н. Черненко, кандидат технических наук
В.А. Кузнецов, аспирант
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
______________________________________________________________________________
Ключевые
слова:
геоиндуцированные
щение магнитопровода.
токи;
силовые
трансформаторы;
насы-
Аннотация: Исследовано влияние геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях на насыщение магнитной системы силовых трансформаторов. На примере силового трансформатора ТРДН63000/110/6,3/6,3 получено, что ток намагничивания и индуктивность ветви намагничивания зависят от величины геоиндуцированного тока. Показано, что уровень высших гармонических составляющих кривой намагничивающего тока определяется рабочей точкой на кривой намагничивания
стали магнитопровода силового трансформатора.
ВВЕДЕНИЕ
При эксплуатации силовых трансформаторов
(СТ) в системах электроснабжения (СЭС) возможны режимы, при которых происходит насыщение их
магнитной системы: включение силового трансформатора в режим холостого хода; перевозбуждение СТ
при повышении напряжения на первичной обмотке
и номинальной частоте или при понижении частоты
и номинальном напряжении; короткое замыкание во
внешней СЭС, подключенной к вторичной обмотке
силового трансформатора; одновременное намагничивание магнитной системы силового трансформатоВектор науки ТГУ. № 3 (21), 2012
ра переменным и постоянным магнитными полями,
например, при геомагнитных бурях (ГМБ).
При интенсивных геомагнитных бурях вариации
геомагнитного поля индуцируют на поверхности
Земли геоэлектрические поля в низкочастотном спектральном диапазоне [1]. Между точками заземления
нейтралей обмоток силовых трансформаторов, расположенных на трансформаторных подстанциях, возникает разность потенциалов. По проводам линий
электропередач и обмоткам высокого напряжения
(ВН) силовых трансформаторов одновременно протекают переменный и геоиндуцированный токи (ГИТ).
65
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
1 082 Кб
Теги
напряжения, pdf, покрытия, расчет, точение, остаточных, поверхности, износостойких
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа