close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103390

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
СОЛОВЬЕВ ДМИТРИИ ЛЬВОВИЧ
Т Е Х Н О Л О Г И Я И ОБОРУДОВАНИЕ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ
ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ
ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Специальности
05.03.01 - «Технологии и оборудование механической
и физико-технической обработки»
05.02.08 - «Технология машиностроения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой
степени доктора технических наук
Орел 2005
Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и конструкторскотехнологическая информатика» Орловского государственного технического университета
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор
Киричек А.В.
Официальные оппоненты:
заслуженный деятель науки и техники РФ,
доктор технических наук, профессор
Бабичев А.П.
доктор технических наук, профессор
Овсеенко А.Н.
доктор технических наук, профессор
Федоров В.П.
Ведущее предприятие:
Московский государственный университет
путей сообщения (МИИТ)
Защита состоится " 23 " декабря 2005 г. в 14.00 часов на заседании
диссертационного Совета Д 212.182.06 при Орловском государственном
техническом университете по адресу г. Орел, Наугорское шоссе, 29,
аудитория 212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственно­
го технического университета
Автореферат разослан " 18 " ноября
2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета Д 212.182.06
кандидат технических наук, доцент
Ю.В. Василенко
7^F
^^^^^^"^
Актуальность проблемы. В современном машиностроении существует
проблема преждевременного выхода из строя деталей машин. Потеря их рабо­
тоспособности обычно связана с разрушением поверхностного слоя. Исследо­
ваниями Балтера М.А, Демкина Н.Б., Крагельского И.В., Кудрявцева И.В., Ры­
жова Э.В., Суслова А.Г. установлена взаимосвязь эксплуатационных свойств
поверхностного слоя с его показателями качества. Поэтому в технологических
процессах все чаще применяются операции поверхностного упрочнения, в ре­
зультате которых создается требуемая микрогеометрия, высокая твердость,
сжимающие остаточные напряжения, требуемая равномерность упрочнения.
В последнее время проведено ряд исследований направленных на разра­
ботку научно обоснованных требований к упрочненному слою. Так Безъязыч­
ным В.Ф., Киричеком А.В., Тескером Е.И. установлена необходимость созда­
ния в упрочненном слое эпюр твердости и остаточных напряжений по глубине,
максимально соответствующих эксплуатационным требованиям. Ивано­
вым Г.П., Куманиным В.И., Смелянским В.М. доказано, что в ряде случаев для
повышения эксплуатационных свойств деталей машин наиболее эффективен
поверхностный слой с гетерогенно упрочненной структурой. Реализация таких
требований вызывает необходимость в совершенствовании и создании новых
способов упрочнения.
Одними из наиболее простых и эффективных способов, обеспечиваю­
щих в широком диапазоне показатели качества поверхностного слоя, являются
способы поверхностного пластического деформирования (ППД). В результате
ППД формируется требуемая шероховатость поверхности, твердость может
достигать 650 HV, сжимающие остаточные напряжения до 1200 МПа. Однако,
возможность создания при ППД поверхностного слоя с необходимыми эпюра­
ми твердости и остаточными напряжениями, а также с требуемой равномерно­
стью упрочнения до сих пор остается не до конца реализованной, что часто яв­
ляется препятствием эффективного применения упрочнения ППД для целого
ряда деталей машин.
На основании анализа способов ППД установлено, что такая возмож­
ность может быть обеспечена способами, использующими для нагружения
энергию удара, которая позволяет получать наибольший диапазон регулирова­
ния показателей качества. Однако существенным недостатком таких способов
является низкая точность при регулировании, т.к. энергия удара, расходуемая
на пластическую деформацию, будет различной. Это связано с тем, что с уве­
личением скорости нагружения уменьшается время протекания пластической
деформации, поэтому ее величина будет зависеть не только от силы удара, т. е.
амплитуды ударного импульса, но и от его длительности. В результате для наи­
более полного использования энергии удара необходимо стремиться к нагружению динамической нагрузкой, характеризуемой ударным импульсом с пря­
моугольной или близкой к ней пролонгированной формой.
Исследованиями ударных процессов Александровым Е.В., Соколинским В.Б., Алимовым О.Д., Манжосовым В.К., Еремьянцом В.Э. доказана
возможность управления формой ударных импульсов за счет геометрических и
акустических параметров используекю|[^^^1)^цо(М0ЮМЯЫ Применительно к
БИБЛИОТЕКА
|
обработке ППД Лазуткиным А.Г. и Киричеком А.В. предложено сообщать
энергию удара в очаг деформации через ударную систему с промежуточным
звеном, что позволяет генерировать пролонгированные ударные импульсы, за
счет использования отраженных волн деформации, формирующихся в виде
хвостовой части импульса. Различные геометрические и акустические парамет­
ры бойка и волновода позволяют изменять форму как головной, так и хвосто­
вой части ударного импульса. Непременным условием для реализации пролон­
гированного ударного импульса является неразрывный контакт инструмента с
очагом деформации, осуществляемый предварительным статическим поджатием, т.е. условие статико-импульсного нагружения.
При управлении процессом статико-импульсной обработки (СИО) прихо­
дится варьировать значениями комплекса новых параметров. Это с одной сто­
роны, существенно расщиряет возможности ППД, а с другой — резко усложняет
управление формированием показателей качества поверхностного слоя. Следо­
вательно, СИО - наиболее общий способ динамического нагружения очага де­
формации при ППД.
Таким образом, имеет место научная проблема, заключающаяся в выяв­
лении закономерностей статико-импульсного волнового нагружения очага де­
формации с целью повыщения эффективности и расщирения технологических
возможностей ППД, обеспечения заданных показателей качества поверхност­
ного слоя, глубоко и гетерогенно упрочненных слоев материала.
Цель работы: обеспечение показателей качества глубоко и гетерогенно
упрочненного поверхностного слоя материала за счет разработки научных ос­
нов управления процессом статико-импульсной обработки поверхностным пла­
стическим деформированием.
Задачи исследований:
1. Выявить и систематизировать параметры наиболее общего метода об­
работки ППД — статико-импульсной обработки, разделить их на конструктив­
ные, конструктивно-технологические и технологические. Разработать обоб­
щенную классификацию способов обработки ППД.
2. Разработать математическое обеспечение для расчета конструктивнотехнологических параметров статико-импульсной обработки; формы, размеров
и материалов элементов ударной системы, формы и размеров инструмента из
условия обеспечения требуемой формы ударного импульса в очаге деформа­
ции.
3. Обосновать и выбрать конструктивные параметры статико-импульсной
обработки: размеры конструктивных элементов генератора механических им­
пульсов (ГМИ) и технологической оснастки. Разработать аналитические зави­
симости для расчета характерных конструктивных элементов генератора им­
пульсов.
4. Исследовать влияние конструктивно-технологических и технологиче­
ских параметров СИО на показатели качества поверхностного слоя. Выявить
возможности регулирования равномерности упрочнения поверхностного слоя с
целью создания гетерогенной структуры.
5. Выполнить экспериментальную и производственную апробацию статико-импульсной обработки деталей различной формы. Разработать технологиче­
ские рекомендации по созданию требуемых показателей качества поверхност­
ного слоя обрабатываемых деталей машин.
Связь с научно-техническими программами. Выполненное в диссерта­
ции научное исследование связано с:
- научно-технической программой министерства образования 2032/98 «Энерго- и ресурсосберегающие технологии статико-импульсного упрочнения"
01.01.1998Г.-31.12.1999г.;
- научно-технической программой министерства образования 205.03.01.026
«Разработка технологической оснастки и рекомендаций по использованию статико-импульсной обработки для упрочнения тяжелонагруженных транспорт­
ных деталей» 01.01.2000 г.-31.12.2000 г.;
- научно-технической программой министерства образования 205.03.01.009
«Совершенствование технологии статико-импульсного упрочнения транспорт­
ных деталей» 01.01.2001 г. - 31.12.2002 г.;
- научно-технической программой министерства образования 205.03.01.029
«Обеспечение качества внутренних цилиндрических поверхностей деталей тех­
нологических и транспортных машин статико-импульсной обработкой»
01.01.2003 Г.-31.12.2004г.;
- научно-технической программой министерства образования 210.01.01.011
«Разработка информационного каталога технологических методов обеспечения
качества и продления жизненного цикла машиностроительных изделий»
01.01.2003 г.-31.12.2004 г.;
- научно-технической программой министерства образования №4387 «Управ­
ление параметрами деформационного упрочнения деталей машин статикоимпульсной обработкой» 01.01.2005 г. - 31.12.2005 г.;
- грантом Р Ф Ф И РК ЦЧР-2003 № 03-01-96481 «Исследование закономерно­
стей формирования и влияния волны деформации на свойства нагружаемого
материала» 01.01.2003 г. -31.12.2005 г.;
- выполнением ряда хоздоговоров.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
- обобщенная классификация способов обработки ППД, включающая кро­
ме известных параметров, характеризующих кинематику, геометрию контакта и
силу деформирования, параметры волнового импульсного нагружения, значи­
тельно расширяющая возможности и количество способов обработки ППД;
- совокупность теоретико-экспериментальных зависимостей, выявляющих
закономерности статико-импульсного волнового нагружения очага деформа­
ции:
а) для расчета формы ударных импульсов в очаге деформации, а также рас­
чета энергии удара, затрачиваемой на упругопластическую деформацию
при волновом статико-импульсном нагружении, исходя из геометрических
и акустических параметров ударной системы, а также сопротивления де­
формируемой среды;
б) для определения коэффициента сопротивления внедрению, зависящего от
приведенного радиуса кривизны контактирующих поверхностей, параметра
пластической твердости, позволяющего учитывать свойства деформируемо­
го металла;
в) для расчета глубины упрочненного слоя, исходя из кривизны контакти­
рующих поверхностей инструмента и детали, энергии удара, затрачиваемой
на упругопластическую деформацию при волновом статико-импульсном нафужении и свойств нагружаемого материала;
- рекомендации по геометрическим параметрам элементов ударной систе­
мы, а также комплекс аналитических зависимостей для расчета конструктивных
элементов гидравлического генератора импульсов, учитывающих взаимосвязь
его настроечных характеристик: давления и расхода рабочей жидкости с энер­
гией и частотой ударных импульсов;
- технология деформационного упрочнения СИО деталей мащин различной
формы, рекомендации по выбору технологических режимов СИО.
Научная новизна полученных результатов заключается:
- в теоретическом обосновании требований к параметрам статикоимпульсной обработки, обеспечивающим наиболее эффективную для данных
условий форму ударного импульса, результатом которого являются аналитиче­
ские зависимости, связывающие изменение контактной силы в очаге деформа­
ции по времени со скоростью, формой и размерами элементов ударной системы
и кривизной инструмента и нагружаемой поверхности, свойствами обрабаты­
ваемого материала;
- теоретическом обосновании конструкций генераторов импульсов для об­
работки поверхностным пластическим деформированием, включающем анали­
тические зависимости, связывающие настроечные характеристики: давление и
расход рабочей жидкости, конструктивные элементы: форму и размеры удар­
ной системы, форму и размеры распределителя, а также геометрические пара­
метры трубопровода, свойства рабочей жидкости, с энергией и частотой удар­
ных импульсов;
- в выявлении вида и характера взаимосвязей между конструктивными
(линейными и диаметральными размерами бойковой части и кранового распре­
делителя генератора импульсов), конструктивно-технологическими (линейны­
ми и диаметральными размерами, а также акустическими свойствами элемен­
тов ударной системы, формой и размерами инструмента) и технологическими
(энергией и частотой ударов, статической составляющей нагрузки, подачей) па­
раметрами статико-импульсной обработки;
- в теоретическом и экспериментальном обосновании требований к пара­
метрам статико-импульсной обработки, обеспечивающим заданные показатели
качества поверхностного слоя, результатом которых являются аналитикоэкспериментальные зависимости, связывающие энергию деформирующего воз­
действия и перекрытие пластических отпечатков с получаемой шероховатостью
поверхности, глубиной, степенью и равномерностью упрочнения.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и ре­
комендаций подтверждается:
• использованием в исследованиях фундаментальных положений волновой
теории, технологии машиностроения, теории упругости, пластичности;
• данными выполненных экспериментальных исследований и удовлетвори­
тельной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов;
• результатами опытно-промышленной проверки и внедрением отдельных со­
ставляющих работы в производство.
Практическая ценность работы заключается в разработке
- конструкторско-технологической инфраструктуры статико-импульсной
обработки, обеспечивающей создание глубоко и гетерогенно упрочненного по­
верхностного слоя материала;
- рекомендащ1Й по конструктивным параметрам статико-импульсной обра­
ботки, позволяющих проектировать конструкщ1и генераторов импульсов;
- технологических рекомендащ1Й по выбору параметров СИО для обеспе­
чения требуемых показателей качества, в том числе создания гетерогенно уп­
рочненного поверхностного слоя деталей машин.
Результаты работы реализованы на предприятиях г. Мурома Влади­
мирской обл.: технология статико-импульсного упрочнения в ДРСУ,
ОАО «Муромский стрелочный завод».
Отдельные результаты работы используются в учебном процессе (чтении
лекций, проведении лабораторных работ, в ходе курсового и дипломного про­
ектирования).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла­
дывались и обсуждались на научно-технических и научно-практических симпо­
зиумах, конференциях и семинарах: «Актуальные проблемы машиностроения
на современном этапе» (Владимир, 1995), «Ресурсосберегающие технологии
машиностроения» (Москва, 1995, 1996); «Наука в вузе» (Муром, 1996); «Гагаринские чтения» (Москва, 1996-2003); «Новые материалы и технологии в ма­
шиностроении и приборостроении» (Пенза, 1996); «Новые технологии» (Ка­
зань, 1996); «Новые материалы и технологии» (Москва, 1997); «Высокоэффек­
тивные технологии в машиностроении» (Киев, 1996); «Ресурсосберегающие
технологии, связанные с обработкой металлов давлением» (Владимир, 1996);
«Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1998); «Точность тех­
нологических и транспортных систем» (Пенза, 1998); «Теория и практика зуб­
чатых передач» (Ижевск, 1998); «Ресурсосберегающие технологии в машино­
строении» (Владимир, 1999); «Автотракторостроение. Промышленность и
высшая школа» (Москва, 1999); «Актуальные проблемы повышения качества
машиностроительной продукции» (Владимир, 1999); «Производственные тех­
нологии» (Владимир, 2000); «Приоритеты развития отечественного автотракто­
ростроения и подготовки кадров» (Москва, 2000); «Конструкторскотехнологическая информатика - 2000» (Москва, 2000); «Механизмы и машины
ударного, периодического и вибрационного действия» (Орел, 2000); «Материа-
8
лы и технологии X X I века» (Пенза, 2001); «Качество машин» (Брянск, 2001);
«Состояние и перспективы развития дорожного комплекса» (Брянск, 2001);
«Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения»
(Орел, 2001, 2002, 2003); «Современные технологии в машиностроении» (Пен­
за, 2002); «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспе­
чение» (Брянск, 2003); «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2004), «Произ­
водство и ремонт машин» (Ставрополь, 2005). «Обеспечение и повышение ка­
чества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано более
80 работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, за­
ключения, списка литературы (207 наименований) и приложений. Работа содержргг 375 стр. сквозной нумерации, включает 97 рис., 17 табл., 8 стр. прило­
жений.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы.
Первая глава посвящена анализу: показателей качества поверхностного
слоя формируемых различными способами ППД; возможностей при нагружении металла пролонгированными ударными импульсами; способов подвода
энергии удара в очаг деформации при ППД. Сформулированы и разбиты по
этапам задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной це­
ли исследований.
Обобщен накопленный научный и производственный опыт в области
технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин
поверхностным пластическим деформированием и создания управляемого им­
пульсного воздействия. Большой вклад в развитие упрочнения ППД внесли та­
кие ученые как: Аверченков В.И., Албагачиев А.Ю., Алексеев П.Г., Андриа­
нов А.И., Бабичев А.П., Балгер М.А., Безъязычный В.Ф., Бойцов А.Г., Браславский В.М., Горленко О.А., Дальский A.M., Дрозд М.С, Жасимов М.М., Киричек А.В., Копылов Ю.Р., Кудрявцев И.В., Лапин В.В., Лашнев С И . , Маталин А.А., Михайлов А.А., Овсеенко А.Н., Одинцов Л.Г., Олейник Л.В., Папшев Д.Д., Петросов В.В., Пономарев В.П., Рыжов Э.В., Сергиев А.П., Серебря­
ков В.И., Смелянский В.М., Сорокин В.М., Петросов В.В., Проскуряков Ю.Г.,
Рыковский Б.П., Суслов А.Г., Торбило В.М., Федоров В.П., Хворостухин Л.А.,
Чепа П.А., Шнейдер Ю.Г., Юдин Д.Л., Якушев А.И., Ямников А.С. и др. Созда­
нием импульсных машин в разное время занимались: Александров Е.В., Али­
мов О.Д., Батуев Г.С, Еремьянц В.Э., Ешуткин Д.Е., Кичигин А.Ф., Лазут­
кин А.Г., Манжосов В.К., Пановко Я.Г., Ушаков Л.С. и др.
В результате установлено, что
1. Одним из направлений развития обработки ППД является обеспечение
возможности точного регулирования эпюр твердости и остаточных напряжений
по глубине поверхностного слоя, а также регулирования равномерности упроч-
нения, что позволяет создавать поверхностный слой с гетерогенной структурой,
способствующей повышению эксплуатационных свойств деталей машин.
2. Предпосылки для реализации таких направлений существуют у спосо­
бов ППД использующих для нагружения динамическую энергию. Возможность
ее дополнительного регулирования волнами деформации через форму ударного
импульса, подаваемого в очаг деформации, будет способствовать повышению
количества энергии, идущей на пластическую деформацию, и обеспечивать вы­
сокую точность при регулировании показателей качества поверхностного слоя.
3. Новые параметры, регулирующие форму ударного импульса, образуют
новые взаимосвязи с известными параметрами, осуществляющими обработку
ППД и показателями качества. Определение таких взаимосвязей позволит ис­
пользовать волновое импульсное нафужение при ППД, расширяя его возмож­
ности. Появляется ряд новых способов ППД, использующих волновое им­
пульсное воздействие для нагружения.
Вторая глава посвящена исследованиям взаимосвязей параметров ППД
при регулировании показателей качества поверхностного слоя.
Все параметры способов ППД можно разбить на параметры,
характеризующие кинематику обработки, условия контакта и силу
деформирования (рис. 1).
шш
I
П
£
Э
/
/'
б
б /
о
б
б .::
/
2=
Pi
3
Рг
Рз
РА
шPt 2Р7И 2Рщ
PS
С и л а деформщ>ования
'"
/
i^'
Jf
/Сю > ^
^г/
Рис. 1. Морфологическая матрица параметров способов ППД
Были рассмотрены параметры традиционной кинематической схемы на­
гружения, которая является наиболее распространенной и характеризует спосо­
бы, использующие кинематику фрезерных, строгальных, токарных, накатных
станков и т.д. (например, выглаживание, обкатывание, раскатывание, виброоб­
катывание, чеканка, ударное раскатывание, ультразвуковая обработка). Кине-
10
матика складывается из движений подачи инструмента (детали) относительно
детали (инструмента) и скорости обработки.
Подача может быть непрерывной и дискретной. Дискретная подача при­
меняется при проскальзывании инструмента во время движения в направлении
подачи. При подаче инструменту дополнительно может придаваться осцилли­
рующее движение. Это позволяет создавать на обрабатываемой поверхности
регулярный микрорельеф. Осциллирующее движение инструмента может зада­
ваться по направлению подачи и в направлении скорости и широко применяет­
ся в статических способах обработки виброобкатывание, вибровыглаживание,
виброраскатывание, а также в некоторых способах, использующих комбиниро­
ванную статическую и динамическую нагрузку, например в У З О .
Скорость обработки может быть постоянной и переменной. В основном
все способы П П Д с традиционной кинематической схемой нагружения исполь­
зуют постоянную скорость. Однако в ряде случаев возможность изменять ско­
рость в процессе обработки сложнопрофильных деталей такими динамически­
ми способами, как чеканка, позволяет регулировать равномерность наклепан­
ного слоя, поэтому тоже должна быть учтена. В результате кинематика может
производиться по 9 вариантам К], Кг.. .Kg.
Условия контакта определяются геометрией контактирующих поверхно­
стей (кривизной инструмента и нагружаемой поверхности) и реализацией кон­
такта. Геометрия контакта определяется суммой главных кривизн поверхностей
тел в точке их начального контакта Тк. Были исключены схемы, когда соприка­
саются две охватывающие поверхности. В результате комбинирования сочета­
ний приведенных радиусов кривизны установлено десять вариантов схем на­
гружения при П П Д SAi.. .ZAio.
Контакт реализуется непрерывно или дискретно. Силовое замыкание при
непрерывном контакте может быть жестким или упругим. Сила трения в кон­
такте качения, скольжения, качения с проскальзыванием. В результате установ­
лено, что условия контакта могут происходить по 81 вариантам G|...G8|.
Сила деформирования во многом определяет глубину и степень упрочне­
ния и по характеру подразделяется на статическую, динамическую и комбини­
рованную: статическую и динамическую. В способах П П Д динамическая нафузка обычно характеризуется энергией (реже силой) и частотой ударов. Ста­
тическая - силой. Способы, использующие динамическую нагрузку, можно
разделить также по диапазону частоты ударов. Среди способов П П Д выделяет­
ся ультразвуковая обработка ( У З О ) , при которой частота ударов может изме­
няться в диапазоне 18...24 кГц. Для остальных способов частота ударов обычно
не превышает 100 Гц. Удар может производиться как ударом инструмента, так
и ударом по инструменту, при этом, как правило, инструмент имеет размеры
Z.I < 0,05 ...0,08 м, что позволяет генерировать ударные импульсы с большой
амплитудой и малой длительностью. Размеры инструмента L| > 0,05 ...0,08 м
применяются нагружении с большой энергией удара, например при чеканке
Динамическое нагружение производится только по шести вариантам U\, Uj, Uj,
t/20,t/2I, ^/22(табЛ. 1).
и
Волновое импульсное нагружение значительно расширяет количество ва­
риантов реализации динамической нагрузки CA-.t/ig, С/гз-СЛа,- В результате
сила деформирования - статическая Р„, динамическая /*„, комбинированная с
вариантами Р„ » Я^, Р„ « Р^, Р„ » Р^ может производиться по 153 вариантам
P i , P2...Pl$3-
Таблица 1
динамическая нагрузка
ударом
инстру­
мента
S
о§
!
I
<=§
Л1 о
форма импульса Яц(/)
способы подвода энергии удара в очаг деформации
ударом
ударом по инструменту через промежуточное
по инст­
звено
рументу
s*
S *
°S
=■•§
V о-
л1о
1
2
3
bt
и, Vt
«J
S 100 Гц
с/,
У:
f/,
> 100 Гц
f/20
Ih,
с/22 '
t'4 ■V,
i
Ih,
4
5
6
7
8
V, tfu u„ ".»
9
Wl'
10 11 12 13 14 15
t/ч tv
Us»v» J ^ .*^ ш Vi, CAe t'll i'n г-л y^
Cf I'i- f'l. f/l»
"и
y«
t/.7 " л
Таким образом, при нагружении управляемым волновым импульсным
воздействием образуются новые взаимосвязи между параметрами способов
ППД, которые должны быть реализованы в новых условиях, фактически новы­
ми способами обработки. В связи с этим разработано ряд ранее не использо­
вавшихся схем, осуществляющих волновое статико-импульсное нагружение
при ППД. Схемы основываются на базе известных способов, использующих
для нагружения динамическую нагрузку: схема центробежной обработки бойковым инструментом, ударного раскатывания бойковым инструментом, статико-импульсного раскатывания, ультразвуковой статико-импульсной обработки,
статико-импульсной чеканки наружных поверхностей, статико-импульсной че­
канки с осциллирующим движением инструмента, многостержневой статикоимпульсной обработки.
Схема статико-импульсной обработки на основе чеканки является наибо­
лее общей схемой, осуществляющей управляемое волновое нагружение, так как
позволяет получать наибольший диапазон регулирования энергии деформи­
рующего воздействия. Поэтому для нее были установлены вид и характер взаи­
мосвязей (рис. 2) между конструктивными, конструктивно-технологическими и
технологическими параметрами и показателями качества поверхностного слоя,
исследование которых позволит реализовать управляемое волновое нагружение
при ППД.
Конструктивными параметрами СИО являются конструктивные элемен­
ты (линейные и диаметральные размеры бойковой части и кранового распреде­
лителя) генератора механических импульсов (ГМИ), а также технологическая
оснастка, реализующая процесс обработки. Конструктивно-технологическими
параметрами СИО являются форма и размеры деформирующего инструмента, а
также новые для ППД параметры - линейные и диаметральные размеры, а так-
12
же акустические свойства элементов ударной системы, управляющие формой
импульса. Основными технологическими параметрами СИО являются энергия
и частота ударов, статическая составляющая нафузки, подача.
Третья глава посвящена исследованиям конструктивно-технологических
параметров СИО с позиции обеспечения требуемой формы ударного импульса
в очаге деформации.
Использование для реализации управляемого импульсного воздействия
ударной системы боек-волновод предъявляет специфические требования к рас­
четам волновых состояний, суть которых заключается в необходимости учета
ранее не использовавшегося при нагружении соотношения длин бойка и волно­
вода Li / L2> ] и нагружения в условиях упругопластической деформации.
Параметры С И О
31
Конструктивно-технологические
параметры С И О
Свойства
обрабатываемого
материала
.
Генератор импульсов ( Г М И )
Форма и длительность
импульса генерируемого
в ударной системе
Коэффициент
сопротивления
внедрению
инструмента
3Z
KoHCTpyicTHBHbie
параметры С И О
Форма и энергия импульса
вОД
Технологические
параметры С И О
Технологическая оснастка
Амплитуда импульса,
генерируемого ударной
системой (сила удара)
1Г
Конфигурация и размеры
единичных отпечатков
X
Параметры динамической составляющей нагрузки в О Д
Скважность
импульса
Кратность динамического
нагружения О Д
Показатели качества поверхностного слоя обработанной детали
Волнистость и
шероховатость поверхности
Степень
упрочнения
Глубина упрочненного
поверхностного слоя
Остаточные
напряжения
Равномерность
упрочнения
Рис. 2. Связь параметров СИО наружных поверхностей с показателями
качества поверхностного слоя обработанной детали
Особенности упругопластического нагружения учитывались через коэф­
фициент сопротивления внедрению к. Его определение сводится к установле­
нию вида зависимости «сила - внедрение». В связи с этим, при определенном
приближении, величиной упругой деформации можно пренебречь, поскольку
ее величина не превышает 3...8 % , коэффициент для глубины пластической де­
формации до 0,7... 1 мм и скорости удара 1 < v < 10 м/с можно записать
к = 2пЯ^^ИД,
(1)
13
где Лпр - приведенный радиус кривизны инструмента и нагружаемой поверх­
ности, мм; НД- пластическая твердость обрабатываемого металла, МПа.
Для условий СИО экспериментально установлено, что значимая для соз­
дания наклепанного поверхностного слоя пластическая деформация при энер­
гии ударов свыше 30 Дж происходит при Л = (2,4...7,5)10* Н/м. Через коэффи­
циент сопротивления внедрению впервые появляется возможность адаптации
конструктивно-технологических параметров обработки поверхностным пласти­
ческим деформированием к свойствам обрабатываемого материала.
Разработана математическая модель, позволяющая определить форму го­
ловной и хвостовой части ударного импульса в очаге деформации:
для периода от О до Г (головная часть ударного импульса)
/'*, =(1 + Ч/)
= 1 /=0
(2)
+ (1 + Ч/Ул*А
7=3/=0
В периоде от Г до 2Г (хвостовая часть ударного импульса)
Pk^j=(y+^)
IS"
7=1 ;=0
m-j
+(1+ч/)АеЧеЁ
+(1+ч/)^д^л*еЧе1:
J=n+A
+R
m-j
т
m-j
Hi
741+1
m-j
Q
7=»l+2
m-),
,
1"ХЙ1
;=0
gognO+i)
_/=я+3
+ {\ + \vfAR'
+R
m~j
m-i
;=0
;=0
(3)
i|^Q(m-y-/ + lXj + l)
/=l (=0
2n(/w-y-/ + lX/ + l)£(vfi?*)
7=и+| 1=0
7=/i+2L'=0
+{\+^v)^Q'wT
m-j
m-j
j=n+3
+(1+ч.уд^л*еЧе2:
j=n+4
гдеа=/'„/'"-^-'(ч/Л*),
m-j
Y^^{rn-j-i+\li + \y^^l{m-j-i
n, = ^;Q
с
r = — , C, = p , a , F , , С2=Р202^2;
^'2
+ \li + \)
(=0
= -^,
H; = 1-2A;
r-\
/?•=■
,
Д = е-*''^',
e=
b=
(l + r ) '
E,F,
14
Рщ - амплитуда импульса, подходящего к обрабатываемому металлу, Н; Рк, сила в контактном сечении инструмента с металлом, Н; j - порядковый номер
импульса; т - количество импульсов, воздействующих на обрабатываемую по­
верхность за время /; ^ - коэффициент изменения силы в волне деформации при
ее прохождении через свободную границу, ^ = - 1 ; Q- коэффициент прохожде­
ния прямой волны деформации; R , Q - коэффициенты отражения и прохожде­
ния обратной волны; vj/ - коэффициент отражения ударного импульса при взаи­
модействии волны деформации с упругопластической границей; г - отношение
акустических (ударных) жесткостей бойка и волновода; С\, Сг- ударная жест­
кость бойка и волновода соответственно, кг/с; а^, а^- скорость распростране­
ния ударной волны в бойке и волноводе соответственно, м/с; рь р2 - плотность
материала бойка и волновода соответственно, кг/м^; Ег - модуль упругости ма­
териала волновода, Па; t - координата времени, с; А: - коэффициент сопротив­
ления обрабатываемого материала внедрению инструмента, Н/м.
Анализ построенных по модели импульсов (рис. 3) показывает, что при
постоянном значении г с увеличением соотношения длин бойка и волновода и,
амплитуда (величина контактной силы) головной части Pij^t) и амплитуда хво­
стовой части PtmiO импульса возрастают, причем хвостовой в большей степе­
ни. При постоянном соотношении длин бойка и волновода и и с увеличением г
максимальная амплитуда головной и хвостовой части импульса уменьшаются,
причем головной в большей степени. Изменяя таким образом геометрические
параметры ударной системы и и г, может быть выбрана форма хвостовой части
ударного импульса, позволяющая участвовать ей в упругопластической дефор­
мации.
Разработана методика расчета энергии удара, затрачиваемой на упругопластическую деформацию при статико-импульсной обработке. Используя по­
лученную методику, можно оценить количество энергии удара, расходуемой на
упругопластическую деформацию при ППД. Проведена оценка К П Д при нагружении управляемым импульсным воздействием (рис. 4). Установлено, что
максимальное количество энергии удара г| = 86 % расходуется на пластическую
деформацию при г = 1; и = 3 и коэффициенте сопротивления внедрению
А = (4,5...5,5)10* Н/м.
Проведены экспериментальные исследования формирования ударного
импульса в очаге деформации на специально разработанном эксперименталь­
ном измерительном стенде, позволяющем моделировать единичное воздействие
индентора на поверхность под действием импульсной или статико-импульсной
нафузки. Установлена удовлетворительная адекватность импульсов, получен­
ных теоретически и экспериментально: для головной части ударных импульсов
расхождение амплитуд не превысило 18 % , хвостовой - не более 10 % . Уста­
новлено визуальное сходство форм импульсов. Экспериментальные осциллофаммы подтверждают эффект наложения импульсов хвостовой части друг на
друга.
15
лн
5 10*
3 10'
Pk ' ' л ^
Р.
/ .....
S РкН
I 10'
•^
О
^
\
\|
б)
а)
/>,н
5 Ю'
\
3 Ю'
1 10'
f
\
О
ч
в)
ЛН
510'
3 10'
1 10'
О
/
/
/
^
\
f
о мо-^
3 Ю""
д)
^
ч
', с
о
1 10-^
е)
Рис. 3. Зависимость формы ударного импульса от соотношения
геометрических параметров элементов ударной системы при к = 2,4-10* Н/м
о-г = 2, « = 2;в-г = 2, и = 3;()-г = 2, л = 4,
б-п = 3, г = 1 ; г - я = 3, г = 3;е-л = 3, г = 4
Проведены исследования влияния формы и размеров инструмента на ис­
кажения формы ударного импульса в очаге деформации. В результате установ­
лено, что более значительное влияние на форму ударного импульса оказывает
форма инструмента, и менее - размеры деформирующей поверхности.
Форма инструмента, способствующая локализаш1и контакта с нафужаемой поверхностью приводит к искажениям формы импульса, у которого увели­
чиваются передний и задний фронты и снижается амплитуда. При увеличении
радиуса деформирующей поверхности инструмента импульс становится все бо­
лее похожим на импульс, сформированный при ударе плоским торцом волно-
16
вода, т. е. без искажений. Близкое сходство наблюдается уже при значениях ра­
диуса деформирующей поверхности более 12 мм.
100
Л,%]70 Г
60
50
40
30
20
10
О
100
л,%
70
60
50
40
30
20
10
О
1 1^1= 1
г=2
S
1
II
I
ш
ш
5
п
1 I 11 ш
п=Ъ
ш
1^=
^
1
Рис. 4. КПД динамического нагружения ударной системой боекволновод при СИО в зависимости от геометрических соотношений бойка
и волновода л и г
при различных коэффициентах сопротивления
внедрению к:
П - * = 2,410'Н/м;
S-/fc = 510»H/M,
Q - * = 7,510» Н/м
Проведенные исследования позволили дать рекомендации по конструк­
тивно-технологическим параметрам СИО. Для создания пролонгированной
формы ударного импульса необходимо, чтобы соотношения геометрических и
акустических параметров ударной системы боек-волновод изменялись в диапа­
зоне п = 3...5, г= 1...3. Длина и диаметр бойка должны быгь соответственно не
менее 0,08 м и 0,02 м. При увеличении значения к в диапазоне (2,4...7,5)1 О* Н/м
необходимо выбирать соотношение акустических жесткостей бойка и волново­
да г ближе к единице. Полученные результаты исследований рекомендуется
применять при проектировании ударных систем устройств, используемых для
деформационного упрочнения статико-импульсной обработкой.
17
В зависимости от величины динамической составляющей нагрузки осу­
ществлен расчет статической составляющей. В результате установлено, что в
условиях нагружения пролонгированным импульсом, статическая нафузка
должна полностью исчерпывать чисто упругую деформацию, обеспечивая дос­
таточно жесткий контакт инструмента с нагружаемым материалом перед уда­
ром, поэтому ее величина должна быть не менее 0,1 динамической. Таким обра­
зом, основное деформирующее воздействие будет осуществлять динамическая
составляющая нагрузки, а статическая должна способствовать ее максимальной
реализации.
В четвертой главе описывается выбор конструктивных параметров для
статико-импульсной обработки: конструктивных элементов генератора механи­
ческих импульсов и технологическая оснастка, позволяющей использовать ге­
нератор импульсов для обработки различных деталей машин.
Для статико-импульсной обработки выбрана конструкция Г М И , отли­
чающаяся независимым регулированием энергии и частоты ударов. Такая воз­
можность может быть обеспечена Г М И с крановым распределителем (рис. 5).
Распределитель состоит из гильзы и вращающегося в ней золотника. При сов­
падении пазов золотника и отверстий гильзы разгонная полость соединяется
либо с напорной, либо со сливной магистралями. Частота вращения распреде­
лителя определяет частоту циклов взвода и разгона бойка, а, следовательно, и
частоту ударов. При вращении золотника распределителя гидро- или электро­
двигателем осуществляется независимое регулирование частоты и энергии уда­
ров.
;
2
Рис. 5. Гидравлическая схема генератора импульсов для С И О :
/ - заготовка, 2 - инструмент, 5 - волновод, 4 - боек, 5 - корпус, б - гидроцилиндр статиче­
ского действия, 7 - гидродвигатель, 8 - редукционный клапан, Р - дроссель, 10 - гильза кра­
нового распределителя, // - вращающийся золотник кранового распределителя
В результате моделирования цикла движения бойка составлена матема­
тическая модель, описывающая перемещение и скорость бойка в любой момент
18
времени. Моделирование осуществлялось на основании закона Ньютона и
уравнений Бернулли для вязкой жидкости. Геометрические параметры бойка и
волновода рассчитываются в соответствии с разработанными положениями та­
ким образом, чтобы обеспечивать в очаге деформации ударный импульс тре­
буемой формы.
Основным движением бойка, определяющим энергетические характери­
стики ГМИ, является разгон, описываемый дифференциальным уравнением
■ с
dt^
-К
V
2
[Ш
Р^тр
2Днтр
фр-5.)
nD-нтр
2\
у
Р^л.И^р-'^.)
^^n(')J-(Paк-P»
(nD\rfJ
'2D.
ч2\
ш
у
4м5„(0Ги,-.
Рн ~^НТР
V
2£>„
nD^
(4)
т.
Рн-
^,Р
46н
uD,^
ч2Л
/
где р„ - рабочее давление, МПа; ра^ - давление газа в гидропневмоаккумуляторе, МПа; ра,, ж - давление в жидкостной полости гидропневмоаккумулятора,
МПа; Q„ - расход рабочей жидкости, поступающей из напорной магистрали,
MVC; Р - плотность рабочей жидкости кг/м^; ц — коэффициент Пуассона; t — ко­
ордината времени, с; xs - перемещение бойка, мм; т^ - масса бойка, кг; 5» Sp площадь бойка со стороны взводящей и разгонной полости соответствен­
но, мм^; £>j - диаметр окна золотника кранового распределителя, мм; £и.тр- ~
длина напорного трубопровода; D„mp- - диаметр напорного трубопровода, мм;
5„(t) - площадь паза, мм^; £,з - коэффициент местных сопротивлений для окна
золотника; >.„ тр - коэффициент гидравлического трения соответственно напор­
ного трубопровода;
В результате можно определить скорость разгона бойка и энергию ударов
в зависимости от времени.
На основании проведенных расчетов для осуществления процесса СИО
был выполнен в металле опытный образец ГМИ, обеспечивающий максималь­
ную энергию ударов 300 Дж в диапазоне частот 5...20 Гц. Подача рабочей жид­
кости для такой конструкции должна осуществляться с давлением р„= 16 МПа
и расходом Q„ = 50 л/мин.
Г М И развивает максимальную мощность Л^ = 8,3 кВт при энергии ударов
А = 205 Дж и частоте ударов /= 40 Гц, что соответствует следующим парамет­
рам настройки ГМИ: /7^ = 5,5 МПа, р„= 16 МПа. Характеристики Г М И соот­
ветствуют требованиям, предъявляемым к гидроударным устройствам: КПД —
0,6; металлоемкость - 0,3 кг/Дж; плотность энергии в сечении инструмента 0,16Дж/мм1
19
На опытном образце Г М И проведены экспериментальные исследования
влияния конструктивных параметров Г М И на частоту и энергию ударов. Боль­
шинство моделей гидроударников не имеют независимого регулирования энер­
гии и частоты ударов, поэтому для экспериментального определения энергети­
ческих характеристик Г М И исследовалась схема с зависимым регулированием
энергии и частоты ударов, являющаяся общим случаем для схемы с независи­
мым регулированием. Это позволило исследовать более сложное взаимодейст­
вие настроечных и энергетических характеристик, оценить эффективность ис­
пользования для упрочнения С И О , не только специально разработанной конст­
рукции Г М И , но и других генераторов импульсов. Адекватность модели экспе­
риментальным данным была не менее 85 % .
Изготовлена полноразмерная установка, позволяющая использовать гене­
ратор импульсов для упрочнения С И О наружных и внутренних поверхностей.
Технические характеристики установки позволяют использовать ее для обра­
ботки как мелких, так и крупногабаритных деталей.
Технические характеристики установки для СИО
Размер рабочей поверхности стола, мм
Наибольшее продольное перемещение стола, мм
Вертикальное перемещение Г М И , мм
Перемещение верхней траверсы, мм .
Скорость перемещения стола относительно инструмента, мм/мин
Сила статического поджима, кН, не более
Максимальные размеры обрабатываемой заготовки, мм
Мощность двигателя гидронасоса маслостанции, кВт
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
В
пятой
главе
описаны
исследования
влияния
3000x600
510
. 250
500
О 2000
40
5500x550x500
18
4700x980x1980
1700
конструктивно-
технологических и технологических параметров статико-импульсной обработ­
ки на показатели качества поверхностного слоя.
У с т а н о в л е н ы з а в и с и м о с т и , определяющие связь между энергией, формой
и ч а с т о т о й ударных и м п у л ь с о в , формой и размерами инструмента, подачей с
одной с т о р о н ы и глубиной, с т е п е н ь ю и равномерностью упрочнения, шерохо­
в а т о с т ь ю поверхности с другой.
В результате проведенного анализа способов расчета глубины и степени
у п р о ч н е н и я поверхностного с л о я в результате П П Д установлено, что в о з м о ж ­
н у ю г л у б и н у и степень у п р о ч н е н и я определяет структурное состояние металла,
а приращение г л у б и н ы и степени упрочнения - давление в очаге деформации.
Д а в л е н и е в очаге деформации является о б о б щ а ю щ е й характеристикой прикла­
д ы в а е м о й нагрузки и геометрии контактирующих поверхностей инструмента и
детали, т.е. с в я з ы в а е т конструктивно-технологические и технологические па­
р а м е т р ы обработки с глубиной и с т е п е н ь ю у п р о ч н е н и я .
П р е д л о ж е н а зависимость, п о з в о л я ю щ а я определить давление в очаге д е ­
формации п р и нагружении динамической нагрузкой, которая связывает энер­
г и ю удара, з а т р а ч и в а е м у ю на у п р у г о п л а с т и ч е с к у ю деформацию с формой и
20
размерами отпечатка. Разработана методика расчета деформированной области
h под единичными отпечатками, полученными в результате действия статикоимпульсной нагрузки. Проведены экспериментальные исследования, в резуль­
тате которых получены эпюры распределения твердости по глубине поверхно­
стного слоя при различных параметрах СИО. Расхождение экспериментальных
и теоретических значений h не превышает 15 % .
Для исследования равномерности упрочненного поверхностного слоя
была введена обобщающая характеристика, связывающая размеры отпечатков с
их перекрытием - коэффициент перекрытия
К = \-^—,
(5)
5/60'
где
мм.
5 - скорость подачи, мм/мин,/- частота ударов, Гц, 5 - размер отпечатка,
Диапазон изменения А" от -оо до 1, однако практическое значение имеет
варьирование К в диапазоне 0<К<\.
Оценка равномерности упрочнения поверхностного слоя производилась
через твердость его различных участков. В результате введено понятие коэф­
фициента неравномерности
Ь-
\HV-HV\
A. = -i=L—,
„
'
A.=J—'HV^
^100%;
t"y>
HV^=—
^
,
(6)
n
где n - количество точек слоя, в которых измеряется твердость; / — порядко­
вый номер точки слоя, в которой измеряется твердость, / = 1.. . я ; А., - отклонение
твердости точек измеряемого слоя относительно среднего значения твердости;
HV, - твердость точки измеряемого слоя; HV^^ - среднее значение твердости
измеряемого слоя.
В результате экспериментальных исследований установлена равномер­
ность (рис. 6) упрочненного поверхностного слоя в зависимости от коэффици­
ента перекрытия, измеренная, как вглубь, так и по направлению подачи. Оценка
равномерности осуществлялась по слоям: по направлению подачи, измеряемые
слои располагаются перпендикулярно поверхности, вглубь - параллельно.
При оценке равномерности по глубине поверхностного слоя (рис. 6, а)
установлено, что равномерность упрочненного слоя может быть достигнута
уже при небольшом перекрытии отпечатков с коэффициентом К> 0,25. Макси­
мальный перепад твердости j^acncoB гетерогенной структуры может достигать
57 % при А" = О, что практически соответствует максимальной степени упроч­
нения 6 3 % , полученной при значении К>0,9. При оценке равномерности по
направлению подачи (рис. 6, б) установлено, что наибольший перепад твердых
и мягких областей по направлению подачи происходит при ^"=0 и с увеличе­
нием К он снижается. Наблюдается упорядоченное чередование твердых и мяг­
ких участков, шаг которых определяется расстоянием между центрами отпе­
чатков. Низкая равномерность характерна для участка поверхностного слоя под
центром отпечатка, высокая - для участка на границе перекрытия отпечатков.
21
Для создания упрочненного поверхностного слоя с большой степенью
упрочнения на большой глубине с возможной перспективой удаления дефект­
ного слоя механической обработкой целесообразно назначать скорость подачи
из условия K>0,S...0,9. Режимы обработки, соответствующие условию
0,5 <К< 0,8...0,9, обеспечивают возрастающую глубину и степень упрочнения
с увеличением коэффициента перекрытия К.
12
1 ""У
Х,%
"
8
6
4
2
щ
О
0,15
К=0
А = 0Д5
■••■
1
1
сталь 45
U,J
■V
.••*'
....
2^
"Г
■■•-.
Лг
А,
10,751 1,35
••'■'
1,95
2,55
3,15
3,75
4,35
Распределение твердости по глубине поверхностного слоя, мм
«)
10
9
Х,%
7
6
5
4
к=о ^ _
/ "^
/
—'<'
•-.
_ ^ ;i t^
^
'-0,2
У
3
*■ ■~-
•"
■•
V
'' i M
2
1
О
0.3
0.6
0.9
1,2
** т
_J
.S2_
1.5
_^
1.8
2,1
"^^^
*
•■
<— т
CT11пь45
J
2.4
,.•
2,7
\-у
..•"•••.
у
я= 3,5
3
3.3
_
3,6
Распределение твердости поверхностного слоя по направлению подачи, мм
б)
Рис. 6. Изменение равномерности упрочнения поверхностного слоя:
а) по глубине, б) по направлению подачи
Для условий, когда коэффициент перекрытия обеспечивает равномерно
упрочненный поверхностный слой, т.е. К > 0,9 проведено ряд исследований, ус­
танавливающих влияние энергии импульсов и размеров инструмента на глуби­
ну и степень упрочнения. В результате установлено, что наибольшая степень
упрочнения при прочих равных условиях наблюдается у стали 110Г13Л
(рис. 8). Микротвердость стали 110Г13Л увеличилась более чем на 150 % , ста­
ли 45 - на 60 % , а стали 40Х - на 20 % . При этом глубина упрочненного слоя
составила соответственно 10, 7 и 6 мм.
22
Установлено влияние параметров СИО на волнистость и шероховатость
обработанной поверхности. Построенные зависимости (рис. 7) позволяют вы­
брать область рекомендуемых значений К при которых параметры волнистости
W^rax и шероховатости R^ будут относительно невысокими. Для более мягких
сталей, к которым относится сталь 45, 0,1<К<0,4, Л2 = 44...30 мкм,
^^пих=38...50 мкм,
для
более
твердых
(сталь9ХС)
0,25 </if<0,75,
Ri= 13,5...8 мкм, W^aax.- 10... 16 мкм. При формировании упрочненного поверх­
ностного слоя с большой глубиной до 4...6 мм, удовлетворительной волнисто­
сти шероховатость упрочненной поверхности может достигать /?z= 1,6...2 мкм.
При режимах СИО, обеспечивающих низкое давление в очаге деформации (меньше
4000 МПа) и /f > 0,8... 0,9 шероховатость может достигать R^ = 0,08 мкм.
" тах)
Rz,
мкм
о
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1 j^
а)
W
21
18
мкм 15
^ч1
V >ч
12
9
6
3
О
йПШ^
_^
^^
•*^»
-^
^
г»
•
h, мм
6
-0-
4,5
■
3
-5 •
—IS
£0=
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1,5
1 ^
Рис. 7. Зависимости шероховатости поверхности, глубины А и степени уп­
рочнения ДНУ (указанна на кривых в % ) от коэффициента перекрытия
пластических отпечатков К
а - сталь 45, 6 - сталь 9ХС
На основании проведенных теоретических и экспериментальных иссле­
дований разработан алгоритм определения режимов СИО в зависимости от тре­
буемых показателей качества поверхностного слоя. Алгоритм позволяет в зави-
23
симости от требуемых глубины, степени и равномерности упрочнения поверх­
ностного слоя, шероховатости поверхности рассчитать конструктивнотехнологические и технологические параметры СИО.
Л/Ь„
Дж/мм
Рис. 8. Зависимости глубины h
и степени упрочнения поверхно­
сти ЛЯц (указана на кривых в % ) ,
упрочненной СИО с использова­
нием Г М И , от удельной энергии
А/Ьр (6р- ширина стержневого ро­
лика) в контакте (диаметр стерж­
невого ролика /)р=10 мм):
6 Л, мм
а-сталь 45, б-сталь 110Г13Л,
в - сталь 40Х
«)
В шестой главе описаны возможности применения статико-импульсной
обработки для решения технологических задач.
В зависимости от требуемых показателей качества поверхностного слоя
может быть предложен ряд технологических маршрутов обработки деталей
машин, включающих операцию СИО (рис. 9). Приведены примеры применения
СИО в производственных условиях.
В условиях ОАО «Муромский стрелочный завод» проведена обработка
опытной партии сердечников крестовины Р65 типа 1/11 железнодорожных
стрелочных переводов. Упрочненная СИО опытная партия сердечников кресто­
вин железнодорожных стрелочных переводов уложена на железнодорожную
ветку ст. Сасово Московской ж/д. По данным МПС, сердечники крестовин, ус­
тановленные на средненагруженную ветку (средний тоннаж проходящих поез­
дов в год составляет 60 млн. т. брутто) выдерживают пропущенный тоннаж до
80 млн. т. брутто (гарантийный срок эксплуатации составляет 50 млн. т брутто).
24
Полученные результаты измерения изношенной части сердечника и усовиков крестовины стрелочного перевода, упрочненных СИО, свидетельствуют
о том, что с учетом периода приработки, ресурс их работы составит не менее
240...250 млн. т. брутто, что примерно в 3 раза больше, чем установленные
нормы работы крестовины.
Для упрочнения грейдерных ножей на практике иногда используется по­
верхностная закалка токами высокой частоты. Твердость, достигаемая в резуль­
тате термической обработки, достигает 40.. .48 HRC при исходной 18.. .20 HRC.
СИО позволяет получить твердость не менее 35...40 HRC по всей ширине ра­
бочей кромки грейдерного ножа. В результате внедрения операции СИО снизи­
лись затраты на упрочняющую операцию, а долговечность ножа увеличилась в
1,5...1,8 раз.
М О заготовки
ОУСИО
гсио
ТО
'
■
МО
■
'
хто
''
650 Я К
(58 НВС),
А = 2 3 мм
о,--1200МПа
i
МО
biOHV
(58 ИЛС),
*-7
9нм
O.I»-800 МПа
R, - 0,08 м ш
;
850 я к
(65ЯЯС),
А = 7 9им
R, = 0,08 мкм
ОУСИО
гсио
МО
''
650 Я К
(58 HRQ,
h-t
10 мм
сГ| = -1200МПа
R,- 1,6 м ш
650 я к
(58ЯЯС),
Л = 5 мм
а I«-800 МПа
R.'OA мкм
650 Я К
(58 Я Я С ) ,
А " 6 7 мм
о , " -800 МПа
R, - 0,08 мкм
650 Я К
(58 Я Я С ) ,
А»6
7мм
о , =• -800 МПа
Л , - 1 , 6 мкм
ОУ СИО - отделочно-упрочняющая статико-импульсная обработка, ГСИО - глубокая статикоимпульсная обработка, МО - механическая обработка, ТО - термообработка, ХТО - химикотермическая обработка
Рис. 9. Использование статико-импульсной обработки
в технологическом процессе
Основные выводы и результаты работы.
1. Разработанные научно обоснованные технические и технологические
решения, представляющие конструкторско-технологическую инфраструктуру
процесса волнового статико-импульсного нагружения очага деформации, рас­
ширяют возможности ГЩД по обеспечению требуемых показателей качества
поверхностного слоя, глубоко и гетерогенно упрочненных слоев материала.
2. Доказана целесообразность обеспечения показателей качества поверх­
ностного слоя деталей машин статико-импульсной обработкой ППД, посредст­
вом управления волнами деформации в ударной системе с промежуточным
звеном комплексом конструктивных, конструктивно-технологических и техно­
логических параметров.
3. Разработанная обобщенная классификация способов обработки ППД,
включающая, кроме известных параметров, характеризующих кинематику,
25
геометрию контакта и силу деформирования, параметры волнового импульсно­
го нагружения, значительно расширяет возможности и количество способов
обработки Г Ш Д .
4. Целесообразно адаптировать геометрические и акустические парамет­
ры ударной системы к условиям нагружения, учитывая коэффициент сопротив­
ления материала внедрению инструмента к, зависяший от пластической твердо­
сти нагружаемого материала и кривизны контакта поверхностей инструмента и
детали.
5. Разработана совокупность теоретико-экспериментальных зависимостей
для расчета конструктивно-технологических параметров статико-импульсной
обработки (линейных и диаметральных размеров, акустических свойств эле­
ментов ударной системы) из условия обеспечения требуемой формы ударного
импульса в очаге деформации. Для создания пролонгированной формы удар­
ных импульсов в очаге деформации необходимо использовать ударную систе­
му, состоящую из бойка и волновода, гладкой цилиндрической формы с соот­
ношением акустических жесткостей г= 1...3 и длин п = 3...5, длина и диаметр
бойка должны быть соответственно не менее 0,08 м и 0,02 м. При увеличении
значения к в диапазоне (2,4...7,5)10'Н/м необходимо выбирать соотношение
акустических жесткостей бойка и волновода г ближе к единице.
6. Полученный комплекс аналитических зависимостей для расчета конст­
руктивных элементов генератора импульсов (линейных и диаметральных раз­
меров бойковой части и кранового распределителя) из условия обеспечения
требуемой энергии и частоты ударных импульсов позволяет решать задачу по
согласованию подаваемого расхода и давления рабочей жидкости, скорости
вращения золотника кранового распределителя и скорости движения бойка.
7. Выявленная обобщенная характеристика, отражающая связь между
конструктивно-технологическими и технологическими параметрами, - коэф­
фициент перекрытия К, зависящий от кривизны контактирующих поверхностей
инструмента и детали, энергии удара, затрачиваемой на упругопластическую
деформацию, частоты ударов и подачи, позволяет формировать гетерогенно
упрочненный поверхностный слой при О < Л" < 0,5 с перепадом твердости уча­
стков, достигаемой 57 % при максимальной степени упрочнения 63 % . При
0,5 <Л"< 0,8...0,9, с увеличением К глубина, степень и равномерность упрочне­
ния поверхностного слоя возрастают, шероховатость поверхности при удовле­
творительной волнистости составляет Ла= 1,6...2 мкм. При А'>0,8...0,9 фор­
мируется равномерно упрочненный поверхностный слой.
8. При необходимости обеспечения равномерно упрочненного поверхно­
стного слоя с большой глубиной до 10 мм и степенью упрочнения до 150 % не­
обходимо выбирать режимы статико-импульсной обработки, обеспечивающие
коэффициент перекрытия А">0,8...0,9 и давление в очаге деформации более
4000 МПа. Снижение давления приводит к уменьшению глубины упрочнения и
снижению шероховатости относительно исходной в 6 и более раз до
Ла = 0,08 мкм.
9. Изготовлен опытный образец генератора импульсов, обеспечивающий
максимальную энергию ударов ^ = 300 Дж в диапазоне частот/= 5... 15 Гц,
26
максимальную ударную мощность Л^ = 8,3 кВт при А = 205 Дж и / = 40 Гц при
подаче рабочей жидкости с давлением 16 МПа и расходом 50 л/мин.
10. Выполненная производственная апробация СИО на примере раз­
личных деталей машин, работающих в условиях контактно-усталостного изно­
са: сердечников крестовин стрелочных переводов, ножей грейдеров, позволила
обеспечить повышение долговечности в 1,5...3 раза.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах;
1 Киричек А в , Соловьев Д Л , Лазуткин А Г Технология и оборудование статико-импульсной
обработки поверхностным пластическим деформированием Библиотека технолога М ■ Машино­
строение, 2004.288 с.
2
Механика нагружения поверхности волной деформации А Г Лазуткин, А В Киричек,
Ю С Степанов, Д Л Соловьев М Машиностроение-!, 2005 150с
3 Соловьев Д Л Расширение технологических возможностей ППД статико-импульсным нагружением очага деформации //Справочник Инженерный журнал 2003 № 1 1 С 17-20
4 Соловьев Д Л Деформационное упрочнение способом статико-импульсного нагружения //
Упрочняющие технологии и покрытия 2005 №10 С 3-6
5 Упрочнение ответственных поверхностей статико-импульсной обработкой О М Щебров,
А В Киричек, А Г Лазуткин, Д Л Соловьев//Наука производству 1998 №11 С 20-23
6 Киричек А В , Лазуткин А Г , Соловьев Д Л Статико-импульсная обработка и оснастка для ее
реализации//СТИН 1999. № 6 С 20-24
7
Киричек А В , Соловьев Д Л Способы динамического упрочнения поверхностным пластиче­
ским деформированием // Кузнечно-штамповочное производство Обработка металлов давлением
2001 № 7 С.28-32.
8 Упрочнение тяжелонафуженных деталей методом статико-импульсного ППД / Д Л Соловь­
ев, А Г Лазуткин, А В Киричек, С А Силантьев//СТИН 2002 Х» 5 С 13-15
9 Киричек А В , Соловьев Д Л , Силантьев С А Ударное устройство для статико-импульсной
деформационной обработки // Кузнечно-штамповочное производство Обработка металлов давлени­
ем 2002 №10. С 35-40
10 Киричек А В , Соловьев Д Л Технология и режимы упрочнения статико-импульсной обра­
боткой //Справочник Инженерный журнал 2003 № 2 С 17-19
11 Математическая модель ударного устройства для статико-импульсной обработки /
А В Киричек, А Г Лазуткин, Д Л Соловьев, С А Силантьев // Справочник Инженерный журнал
2003 № 8 С 17-22
12 Киричек А В , Соловьев Д Л , Афонин А Н Энергетические характеристики процесса стати­
ко-импульсной обработки //СТИН 2003 № 7 С 31-35
13 Киричек А В , Соловьев Д Л , Силантьев С А Влияние режимов статико-импульсной обра­
ботки на равномерность упрочнения поверхностного слоя // Кузнечно-штамповочное производство
Обработка металлов давлением 2004 № 2 С 13-17
14 Киричек А В , Соловьев Д Л Управление параметрами поверхностного слоя упрочнением
статико-импульсной обработкой //Справочник Инженерный журнал 2004 №10 С 16-19
15 Киричек А В , Соловьев Д Л , Киричек Ю Н Выбор параметров статико-импульсной обработ­
ки по заданным показателям качества поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия
2005 №1.С.23-26
16 Киричек А В . Соловьев Д Л Параметры упрочняющей статико-импульсной обработки //
СТИН 2005 № 2 С 30-33
17 Киричек А В , Соловьев Д Л Влияние пролонгации импульса на степень деформации мате­
риала при статико-импульсном упрочнении//Упрочняюшиетехнологии и покрьпия 2005 № 4 С 6-10
18 Киричек А В , Соловьев Д Л Равномерность наклепа после статико-импульсной обработки
Упрочняющие технологии и покрытия 2005 № 8 С 3-5
19 Патент № 2098259 РФ Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим
деформированием / А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев Бюлл №34 1997
20 Патент № 2090342 Р Ф Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пла­
стическим деформированием / А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев Бюлл № 26 1997
27
21 Патент № 2219042 Р Ф Многостержневое устройство для упрочнения поверхностным пласти­
ческим деформированием / Ю С Степанов, Л В Киричек, Б И Афонасьев, А Г Лазуткин, Д Л Со­
ловьев, С А Силантьев Бюл № I 2004
22 Выбор параметров бойка и волновода при статико-импульсном упрочнении А Г Лазуткин,
А В Киричек, Д Л Соловьев и др // Ресурсосберегающие технологии машиностроения Сб научи
трудов. М.. МГААТМ, 1996 С 181-188
23 Влияние формы инструмента на энергетические характеристики ударного импульса при статико-импульсной обработке А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев и др // Проектирование
технологических машин-Сб научн трудов М МГТУ "СТАНКИН", 1998 Вып 9 С 64-71
24 Киричек А В , Лазуткин А Г , Соловьев Д Л Классификация способов поверхностного дина­
мического упрочнения // Информационные и социально-экономические аспекты создания современ­
ных технологий Межвузовский сборник научных трудов Набережные Челны Камский политехи
институт 1997 С 22-27
25 Назначение технологических режимов статико-импульсной обработки А Г Лазуткин, А В
Киричек, Д Л Соловьев, С А Силантьев // Проектирование технологических машин Сб научных
трудов Вып 12 М МГТУ «СТАНКИН», 1998 С 85-88.
26 Киричек А В , Соловьев Д Л Управляемое ударное воздействие при упрочнении поверхност­
ным пластическим деформированием // Известия ОреяГТУ Машиностроение Приборостроение
Орел 2003 т-2 С 30-36
27 Киричек А В , Соловьев Д Л Нафужение материала волной деформации в процессе статикоимпульсной обработки // Известия ОрелГТУ Машиностроение Приборостроение Орел 2003 №3
С 33-36
28 Киричек А В , Соловьев Д Л , Киричек Ю Н Моделирование технологического процесса пло­
ских поверхностей статико-импульсной обработкой // Известия ТулГУ Серия Технологическая сис­
темотехника Вып 2 Тула Изд-во ТулГУ 2004 С 41-49
29 Киричек А В , Афонии А Н , Соловьев Д Л Экспериментальные измерительные комплексы
для исследования процесса нафужения материала волной деформации // Известия ОрелГТУ Маши­
ностроение Приборостроение 2004 № 2 С 63-67
30 Статико-импульсная обработка внутренних цилиндрических поверхностей / А В Киричек,
А Г Лазуткин, Д Л Соловьев, С А Силантьев // Известия ОрелГТУ Машиностроение Приборо­
строение 2004 № 3 С 16-17
31 Киричек А В , Соловьев Д Л Волновые состояния ударной системы боек-волновод при стати­
ко-импульсной обработке // Известия ОрелГТУ Машиностроение Приборостроение Орел 2004
№ 4 С 24-30
32 Упрочнение статико-импульсной обработкой А Г Лазуткин, А Б Киричек, С Л Лазуткин,
Д Л Соловьев // Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении Материалы
научн-техн конф Пенза 1996 С 26-31
33 Лазуткин А Г , Киричек А В , Соловьев Д Л Повышение эффективности статико-импульсной
упрочняющей обработки // Высокоэффективные технологии в машиностроении Материалы конф
Киев 1996 С 106-107
34 Выбор способов поверхностного упрочнения тяжелонагруженных деталей А В Киричек,
Д Л Соловьев, С Л Лазуткин, С А Силантьев, А Н Синцов // Современные технологии в машино­
строении Материалы научн-техн конф Пенза 1998 С 44-47
35 Киричек А В , Соловьев Д Л Влияние условий статико-импульсной обработки на размер от­
печатка // Точность технологических и транспортных систем Материалы междунар научи - техн
конф Пенза 1998 4 2 С 103-107
36 Киричек А В , Соловьев Д Л Влияние предварительного статического нафужения на микро­
твердость // Точность технологических и транспортных систем Материалы междунар научн - техн
конф Пенза 1998 4 2 С 108-111
37 Упрочнение
и формообразование
поверхностей статико-импульсной обработкой
А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев, А Н Афонии, С А Силантьев // Точность технологиче­
ских и транспортных систем Материалы междунар научн-техн конф Пенза 1998 ч 2 С 124-126
38 Статико-импульсное упрочнение деталей передач А В Киричек, А Г Лазуткин Д Л Соловь­
ев и др // Теория и практика зубчатых передач Труды междунар конф Ижевск 1998 С 363-368
39 Технологическое обеспечение качества деталей статико-импульсным деформационным уп­
рочнением А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев др //Ресурсосберегающие технологии в ма­
шиностроении Материалы научн-техн конф ВлГУ, Владимир 1999 С 40-41
Zoob-ij
28
» 23 07 1 ^-ЦЯ^^^
40 Соловьев Д Л Расширение области применения и повышение эффективности поверхностного
пластического деформирования // Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной
продукции Тез докл Всеросийск научн-техн конф В л Г У , Владимир 1999 С 53-54
41 Соловьев Д Л , Лазуткин С Л , Силантьев С А Условия реализации С И О П П Д для упрочне­
ния плоских поверхностей деталей машин // Конструкторско-технологическая информатика - 2000
Труды конгресса В 2 - х т т Т 2/IV международный конгресс «Станкин» М 2000 С 149-150
42 Совершенствование системы управления гидроприводом генератора механических импуль­
сов А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев и др //Производственные технологии Материалы
3-й международн научно-техн конф В л Г У Владимир- 2000 С 127-128
43 Упрочнение статико-импульсной обработкой П П Д с использованием гидроударных уст­
ройств А Г Лазуткин, А В Киричек, Д Л Соловьев и др // Механизмы и машины ударного, перио­
дического и вибрационного действия Материалы меджунар научного симпозиума Орел О р е л Г Т У
2000. С 318-320
44 Лазуткин А Г , Соловьев Д Л , Силантьев С А
Устройство для упрочнения статикоимпульсной обработкой // Качество машин С б трудов 4-й междун научн -техн конф Брянск
Б Г Г У 2001 т 2 С 181-183
45 Лазуткин А Г , Соловьев Д Л , Силантьев С А Повышение долговечности крестовин стрелоч­
ных переводов // Состояние и перспективы развития дорожного комплекса Сборник научных тру­
дов Выпуск 2 Брянск Б Г И Т А 2001 С 98-99.
46 Моделирование статико-импульсной обработки тяжелонафуженных поверхностей деталей
машин А В Киричек, А Н Афонин, Д Л Соловьев и др // Материалы и технологии X X I века М а т е ­
риалы всероссийской научн-техн конф Пенза 2001 ч 2 С 116-118
47 Соловьев Д Л Напряженное состояние поверхности, упрочненной статико-импульсной обра­
боткой //Материалы 35-й научн-техн конф Муром 2001 ч З С 27-28
48 Киричек А В , Соловьев Д Л , Силантьев С А Повышение производительности упрочняющей
статико-импульсной обработки // Современные материалы и технологии - 2002 Сборник статей междунар научн -техн конф Пенза 2002 С 273-276
49 Перспективы статико-импульсного упрочнения и формообразования шлицев А В Киричек,
А Г Лазуткин, Д Л Соловьев и др // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии маши­
ностроения - Технология-2002 Материалы I I I междунар научн-техн конф Орел 2002 С 167-170
50 Киричек А В , Соловьев Д Л Упрочнение статико-импульсной обработкой П П Д // Ф у н д а ­
ментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003 Материалы I V
междунар научн-техн конф Орел 2003 С 485-488
51 Киричек А В , Соловьев Д Л Повышение эффективности П П Д статико-импульсным нагружением очага деформации // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения Технология-2003 Материалы I V междунар научн -техн конф Орел 2003 С 268-271
52 Инструментальное обеспечение повышения эксплуатационных свойств деталей машин стати­
ко-импульсной обработкой Д Л Соловьев, А В Киричек, Ю С Степанов, Е А Кузяев // Контактная
жесткость Износостойкость Технологическое обеспечение' Материалы междунар научн -техн
конф Брянск Б Г Г У 2003 С.112-115
53 Киричек А В , Соловьев Д Л , Афонин А Н Повышение надежности деталей машин статикоимпульсной обработкой // Надежность и ремонт машин Материалы междунар научно-техн конф
т 3 Орел 2004 С.41-45 ■
54 Киричек А В , Афонин А Н , Соловьев Д Л Упрочнение восстановленных деталей машин ста­
тико-импульсной обработкой // Надежность и ремонт машин Материалы междунар научно-техн
конф т 2 Орел 2004 С 108-111
55 Киричек А В , Соловьев Д Л Микрогеометрия поверхности после деформационного упрочне­
ния статико-импульсной обработкой // Производство и ремонт машин' Материалы междунар науч­
но-техн конф Ставрополь Изд-во С т Г А У « А Г Р У С » 2005 С 105-110
56 Киричек А В , Соловьев Д Л
Создание гетерогенно упрочненной структуры статикоимпульсной обработкой // Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цик­
ла Матер междунар научно-техн конф Брянск 2005 С 171-173
П о д п и с а н о к п е ч а т и 10 н о я б р я 2005 г.. Т и р а ж 100 э к з , о б ъ е м 1,75 п л . .
Заказ N« 2933, Т и п о г р а ф и я О р е л Г Т У , 302030 г О р е л , у л М о с к о в с к а я , 65
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 445 Кб
Теги
bd000103390
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа