Интегральный параметр фрикционно-силового нагружения и оценка накопленной пластической деформации сдвига при наноструктурирующем выглаживании Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

2 аН

~~зГ~

2-15,32-2,34 3-18,73

= 1,277 мкм3 /мкм2

Расчетная маслоемкость плосковершинной поверхности определяется суммой маслоемкости рельефа смазочных микровпадин и маслоемкости плато.Результаты расчетов маслоемкости поверхности после финишных переходов многоцелевой обработки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетная маслоемкость поверхности со смазочными микровпадинами после переходов многоцелевой обработки

Переход формирования поверхности Расчетная маслоемкость, мкм3/мкм2

Точение 1,5

Выглаживание 0,802

Деформирующее профилирование смазочных микровпадин 2,389

Полирующее выглаживание 1,277

2. Определение фактической маслоемкости поверхности основе сканирующей электронной микроскопиии проверка адекватности расчетной модели

Фактическая маслоемкость поверхностей тестовых образцов деталей исследована с применением сканирующего электронного микроскопа ТеэсапМ^А 3 1_М11. На основе применения пакета программ двух- и трехмерного анализа изображений МеХ фирмы АПсопа1тадтдСтЬН разработан метод оценки адекватности разработанной модели маслоемкости поверхности [5].

Проверка адекватности математических моделей маслоемкости поверхности с различным типом рельефа осуществлялась на основе определения отклонения расчетной маслоемкости (табл.1) от фактической маслоемкости, установленной на основе метода сканирующей мик-

роскопии,по формуле

V

S = —-M 00%.

V,

ф

Данные о фактической маслоемкости и расчетные значения маслоемкости поверхностей и отклонений 5 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетная и фактическая маслоемкость поверхности со смазочными микровпадинами после переходов многоцелевой обработки

Переход формирования поверхности Расчетная маслоемкость, мкм3/мкм2 Фактическая маслоемкость, мкм3/мкм2 Отклонение расчетной маслоемкости от фактической, %

Точение 1,5 1,433 4,6

Выглаживание 0,802 0,818 2,0

Деформирующее Профилирован ие Смазочных микровпадин 2,389 2,473 3,4

Полирующее выглаживание 1,277 1,305 2,1

Выводы

Проверка адекватности математических моделей маслоемкости показала высокую сходимость значений в пределах 2,0-4,6%.

Список литературы

1. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным

микрорельефом. - СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2001. -264с.

2. Кузнецов В.П., Горгоц В.Г., Дмитриева О.В. Инженерия плосковершин-

ного регулярного микрорельефа поверхности при многоцелевой обработке деталей (статья) //Вестник УГАТУ. - 2009. - №4 (33). - С.113-115.

3. Кузнецов В.П., Дмитриева О.В. Моделирование и исследование

формирования плосковершинного микрорельефа поверхностей трения со смазочнымимикрокарманами при многоцелевой обработке деталей (статья) // Известия ТПУ. - 2011. - Т. 319. -№ 2,- С.35-40.

4. Кузнецов В.П., Дмитриева О.В., Горгоц В.Г. Формирование плосковер-

шинного нанорельефа прецизионных поверхностей деталей двухпереходнымвыглаживанием (статья) //Вестник КГУ. Серия «Технические науки». - Вып. 7,- 2011. - №2 (20).

5. Дмитриева О.В. Многопереходное формирование плосковершинных

поверхностей деталей со смазочнымимикровпадинамивыглажива-нием и деформирующим профилированием: Дис. ...канд. техн. наук. - Курган: Курганский гос.ун-т, - 2011. -121с.

УДК 621.787.4 В.П. Кузнецов

Курганский государственный университет

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПАРАМЕТР ФРИКЦИОННО-СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКА НАКОПЛЕННОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СДВИГА ПРИ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕМ ВЫГЛАЖИВАНИИ

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы накопления пластической деформации сдвига при наноструктурирующем выглаживании за счет повышенного трения и многократного контакта инструмента с элементарным объемом поверхностного слоя и предлагается интегральный параметр фрикционно-силового нагружения.

Ключевые слова: наноструктурирующее выглаживание, многократное фрикционно-силовое нагружение, интенсивная пластическая деформация сдвига.

V.P. Kuznetsov Kurgan State University

INTEGRAL PARAMETER OF FORCE-FRICTIONAL LOADING AND EVALUATION OF CUMULATIVE PLASTIC SHEAR STRAIN IN THE PROCESS OF NANOSTRUCTURE FORMING BURNISHING

Annotation

This paper considers the issues of accumulation of the plastic shear strain in the process of nanostructure forming burnishing by means of excessive friction and multiple contact oftool and elementary volume ofthe surface layer. The integral parameter of force-frictional loading is provided.

Keywords: nanostructure forming burnishing, multiple force-frictional loading, severe plastic deformation ofthe shear.

Введение

Существенное и кратное повышение эксплуатационных свойств поверхностного слоя конструкционных материалов возможно на основе формирования ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры методами многократной интенсивной пластической деформации сдвига (МИПДС). В настоящее время наноструктурирую-щая обработка материалов методами интенсивной пластической деформации реализуется на специальных установках [1-3]. Для создания поверхностного слоя конструкционных сталей с ультрамелкозернистой структурой при серийном изготовлении деталей на металлорежущих станках развивается финишная технология наноструктуриру-ющего выглаживания, основанная на управлении фрик-ционно-силовым нагружением [4-10].

1. Связь МИПДС с параметрами фрикционно-силово-го нагружения поверхностного слоя при наноструктуриру-ющем выглаживании

Для управления процессом наиболее важным вопросом является установление взаимосвязи накопления пластической деформации с параметрами фрикционно-сило-вого нагружения поверхностного слоя. Накопление пластической деформации поверхностным слоем в направлении скорости наноструктурирующего выглаживания рассматривается на основе представлений механики сплошных сред. Процесс накопления деформации в направлении скорости обеспечивается многократными пластическими сдвигами микрообъемов поверхностного слоя за шаг подачи инструмента. Количество пластических сдвигов пс определяется отношением длины пятна контакта инден-

тора инструмента к шагу подачи. При применении сферических и цилиндрических заточек индентора

п _Ьпк_2>2-(*-1у)2

С ^

где£ж-длина пятна контакта индентора с обрабатываемой поверхностью в направлении подачи инструмента; Я - радиус индентора; /гвн - глубина внедрения индентора в поверхностный слой, г - шаг подачи.

Количество пластических сдвигов поверхностного слоя за несколько рабочих ходов инструмента (цикл обработки) при условии неизменной глубины внедрения /гвн может быть определено следующей зависимостью:

=ПсПрх.

где и - количество рабочих ходов индентора инструмента по обрабатываемому поверхностному слою.

Таким образом, многократность пластической деформации сдвига повышается с уменьшением подачи инструмента и увеличением глубины внедрения индентора.

В соответствии со схемами, представленными на рис. 1 и 2, степень накопленной пластической деформации сдвига в направлении скорости обработки и в зависимости от интегрального параметра может быть определена следующим образом:

Рис. 1. Схема накопления пластической деформации сдвига в направлении скорости выглаживания за рабочий ход инструмента при п=4: ¥а1. - скорость выглаживания и подача инструмента; ти, тр, т14, т14- последовательные положения микрообъема поверхностного слоя, хс1, хсП, хс4, хс4 - деформационные смещения микрообъема поверхностного слоя в направлении

скорости выглаживания, х1Ы- накопленная деформация сдвига

Рис. 3. Схема сдвиговых и экструзионно-интрузионных перемещений микрообъема поверхностного слоя за базовый цикл фрикционно-силового нагружения: у =Ьв - высота валика; у = Ьвн - глубина внедрения

С увеличением силы трения Р при постоянной силе наноструктурирующего выглаживания предполагается, что в значительной степени увеличивается интенсивность пластических деформаций сдвига, высота валика экстру-дированного металла Лв и глубина динамического внедрения микрообъема поверхностного слоя (рис. 4).

Рис. 6. Влияние коэффициента трения на деформационные смещения микрообъема поверхностного слоя: 1 - К =0,05;

2- К =0,1; 3-К =0,35

п

2. Определение параметров фрикционно-силового нагружения при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х на основе конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя

Для оценки степени накопленной пластической деформации сдвига 1_за базовый цикл фрикционно-силово-го нагружения (однократное прохождение очага деформации) разработана конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя [7].

Кроме того, для управления процессом наноструктурирующего выглаживания и контроля его на технологическом уровне предложено использовать масштабные коэффициенты пластических сдвиговых и экструзионных перемещений поверхностного слоя.

Масштабный коэффициент сдвиговых перемещений:

Уи+Уэ hBH+V Масштабный коэффициент экструзионных перемещений (высоты валика):

j с с

Уя+У, П,н+Ьв

Изменение степени накопленной пластической деформации сдвига Ь и коэффициентов Кс и А'в от силы обработки при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х (НРС55) исследовалось для трех значений коэффициента деформационного трения К Закономерности изменения пластических сдвигов микрообъемов поверхностного слоя за базовый цикл фрикционно-силового нагружения наноструктурирующим выглаживанием цементованной стали 20Х(НРС55) со скоростью 10 м/мин инструментом с Я?=2 мм приведены на рис. 5-6.

Рис. 5. Влияние силы выглаживания на деформационные смещения микрообъема поверхностного слоя: 1 -Рв=150 Н; 2 - Р=200 Н: 3 - Р =250 Н: 4 - V=300 Н: 5 - Р=350 Н

Рис.2. Накопленная пластическая деформация сдвига микрообъема поверхностного слоя в направлении скорости выглаживания

Величина пластического сдвига поверхностного слоя хс. определяется силой деформационного трения инденто-ра в контакте с обрабатываемым материалом Р а глубина внедрения г'=/гвн - силой выглаживания Рв. Схема сдвиговых и экструзионно-интрузионных перемещений микрообъема поверхностного слоя во внеконтактной и контактной зонах очага деформации приведена на рис. 3.

vr^

I'н const / тр2 > Лгр! j

Рис.4. Влияние силы трения на перемещения микрообъема поверхностного слоя в направлении скорости обработки

Выявлено, что при увеличении коэффициента деформационного трения с 0,05 (алмазное выглаживание) до 0,35 глубина внедрения индентора при постоянной силе выглаживания Р=350Н не изменяется, но значительно

в '

увеличивается высота валика экструдированного металла. Зависимость высоты валика от силы выглаживания и коэффициента трения приведена на рис. 7. Глубина внедрения индентора в значительной степени зависит от силы выглаживания Р (рис. 8).

Рис. 7. Зависимость высоты валика экструдированного металла Ьв от силы выглаживания Рв и коэффициента трения К

%

160

120

so

40

1 1 1 у t

} /

/ 1 Г 1 1

1 1 1 1 2 , 1

Г ' < I— г _|| 1 т4

50 100 150 200 250 300 Рв. Н Рис. 9.Зависимость степени накопленной пластической деформации сдвига /. от силы выглаживания: 1- К =0,35;

I I 1 тр

2- К =0.1; 3- К =0.05

Рис. 10. Зависимость коэффициента пластических сдвиговых перемещений Кс от силы выглаживания:

1-К =035; 2-К =01; 3-К =0.05

тп ' ' тп ' ' тг> '

0.30

0.20

0.10

1 1 1 1 и

1 jf 1 / 1 / 1 F 1

1 1 1 1 1 1

-.....-»...................... / _

100

150

200

250

300 Рв,Н

Рис. 8. Зависимость глубины внедрения 1гвн от силы выглаживания Рв

Установлено, что рост валика экструдированного металла при наноструктурирующем выглаживании закаленной стали 20Х начинается при приложении силы выглаживания от 170 Н (1^=0,35) до 200 Н (1^=0,1). При силе выглаживания более 300 Н показатель L и коэффициент Кс возрастают в степенной зависимости, что может привести к поврежденное™ поверхностного слоя (рис. 9-11).

Л,

Рис.11. Зависимость коэффициента пластических экструзионных перемещений Кв от силы выглаживания:

1-К =035; 2-К =о".1;3-К =0.05

тр тр тр

На основе конечно-элементного моделирования установлен наиболее благоприятный режим фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя для обеспечения интенсивности пластических деформаций сдвига при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х: Р =170. ..300 Н (К =0,1-0,35).

в » тр ' ' '

3. Экспериментальное определение показателей пятна контакта и степени накопленной пластической деформации сдвига

Для определения влияния кратности воздействия инструмента на поверхностный слой и степени накопления МИПДС выполнены экспериментальные исследования наноструктурирующего выглаживания на плоских образцах деталей во фрезерном (построчном) режиме. Обработка осуществлялась инструментом для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанок-ристаллической структурой [9].

Накопленная пластическая деформация сдвига определялась при наноструктурирующем выглаживании дорожек на поверхности образцов на токарно-фрезерном центре с режимами, обеспечивающими интенсивный пластический сдвиг без повреждения поверхностного слоя и минимальной подаче инструмента 5в=0,01 мм/об для достижения максимальной кратности воздействий.

Степень накопленной деформации^в направлении скорости выглаживания определялась зависимостью

Онв _1в1)

¿=-

1.

где /в1 - ширина валика экструдированного металла за базовый цикл фрикционно-силового нагружения; 1ж -ширина накопленного валика в направлении скорости

обработки за рабочий ход инструмента.

Кроме того, на основе экспериментальных исследований определялась фактическая глубина внедрения инструмента Лвн, ширина пятна контакта ¿ж и интегральный показатель фрикционно-силового нагружения А^. Определение параметров пятна контакта и валика экструди-рованного металла за базовый цикл фрикционно-сило-вого нагружения осуществлялось на основе профилог-рамм после наноструктурирующего выглаживания дорожки без подачи инструмента (5в=0). Профилограмма микропрофиля и сравнительный анализ расчетных и экспериментальных показателей пятна контакта приведены на рис. 12-14.

Рис. 12. Фотография выглаженной дорожки на поверхности образца

Микропрофиль накопленного валика в направлении скорости обработки при предельно низкой подаче инструмента 5в=0,01 мм/об и силе выглаживания Р=200 Н представлен на рис. 15-16.

I

1 Ом/мин

0

01

¡Л

мм

И

2мм

Р

200Н

=4

N

6

Пр

Рис.15. Фотография накопленного валика в направлении скорости обработки

К

мкм

5

Рис. 13 . Профилограмма микропрофиля поверхности дорожки

Рис. 16. Параметры микропрофиля накопленного валика в направлении скорости обработки

Предельные характеристики накопленной МИПДС при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х (НРС55) при коэффициентах деформационного трения А' =0,34 и Кп =0,13 представлены на рис. 17-18.

Рис. 14. Расчетная (1) и экспериментальные (2,3) зависимости длины пятна контакта Ьш от силы выглаживания Р

\ к \

350

250

87 <JH

11 -\ 10 9 -\ 8

7 1 6

.S'b=0,04n SB=0, im/o6 01 мм/об

( /

/

I

20 40 60 80 100 120

Nc

Рис. 17.Предельные характеристики накопленной МИПДС при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х:

Р =200 Н; К =0.34

Он

3,9" 3,8 3,7 -3,6 3,53,4 3,3-

- tVB=0,01 - им/об

■ / J/T я

/

/

20

60

100

140 180 Л/с

Рис. 18.Предельная характеристика накопленной МИПДС при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х:

Р=350Н;Кпр=013

Аппроксимирующие зависимости предельных характеристик накопленной МИПДС и коэффициенты аппроксимации приведены в табл. 1.

Таблица 1

Аппроксимирующие зависимости предельных характеристик накопленной МИПДС

Режим выглаживания Аппроксимирующая зависимость Коэффициенты аппроксимации

а Ь с

SB=0,01 мм/об; Кт„=0,34 т о.о25 = а-Ьс"й 11,35 10,92 0,97

SB=0,04 мм/об; Кта=0,34 9,75 6,61 0,89

SB=0,01 мм/об; Ктр=0,13 3,94 1,11 0,98

Наноструктурирующее выглаживание с силой выгла-жаа(ёуРв=300...350 НприАГ =0ДЗ позволяет достичь шероховатости Яо=0,05...0,08 мкм (рис. 20). При этом предельная степень накопленной МИПДС в'н >3,9 создается только при N0—140 и подаче Я =0,01 мм/об.

Рис. 19. Зависимость среднего арифметического отклонения профиля Ра от силы выглаживания Р при К =0.34

II в ' тр

150 200 250 300 350 jPBj Н Рис. 20. Зависимость среднего арифметического отклонения профиля Ra от силы выглаживания Рв при

кпр=013

При наноструктурирующем выглаживании поверхностного слоя стали 20X13 (НВ 470) степень накопленной деформации в'н >8 можно обеспечить при К =0,11, силе выглаживания Р =610 Я и N =24 (рис. 21).

Предельная степень накопленной деформации сдвига е'н~9,5 достигается при наноструктурирующем выглаживании цементованной стали 20Х (НРС55) с коэффициентом деформационного трения А' =0,34 после N-37,5 (подача 5в=0,04 мм/об). При этом обеспечивается шероховатость поверхности Ря<0,2 мкм (рис. 19). Степень накопления деформации в'н > 10 обеспечивается при ^=0,34 и ЛМЮ (подача 5в=0,01 мм/об). Однако в этом случае среднее арифметическое отклонение профиля формируемой поверхностиКа превышает 0,2 мкм и производительность процесса значительно ниже.

Рис.21. Предельные характеристики накопленной МИПДС при наноструктурирующем выглаживании стали 20X13:

Кщ=0,11

Для наноструктурированных поверхностных слоев

KL=0.34

л К л

IP «9

Л 0.01 мл об

S' 0,04м м/ои

цементованной стали 20Х выполнены экспериментальные оценки физико-механических и структурных свойств. Микротвердость HV измерялась с помощью микротвердомера Leica VMHT. результаты исследования приведены на рис.22.

1IV

600-1-т-.-1-*-1-»-1-.-,-.-

0 20 40 60 80 Ас

Рис. 22. Зависимость микротвердости поверхностного слоя Ш\ ,,, от количества пластических сдвигов N

Аппроксимирующие зависимости микротвердости поверхностного слоя Н¥0(Р5от количества пластических сдвигов и коэффициенты аппроксимации приведены в табл. 2.

Таблица 2

Аппроксимирующие зависимости микротвердости поверхностного слоя

Режим Аппроксимирующая Коэффициенты

выглаживания зависимость аппроксимации

а b с

SB=0,01 мм/об; Кта=0,13 ягё.о25 = a-bc"1 1003 295 0,87

SB=0,04 мм/об; 1186 510 0,94

Кта=0,34

Обсуждение результатов

1. Установлен интегральный параметр фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя наноструктури-рующим выглаживанием А^, определяющий количество пластических сдвигов элементарного объема материала за цикл обработки и позволяющий устанавливать силу выглаживания на основе выбора радиуса индентора и управления глубиной его внедрения.

2. Определены параметры фрикционно-силового нагружения при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х на основе конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.

3. Определена степень накопленной пластической деформации сдвига в направлении скорости нанострук-турирующего выглаживания сталей 20Х и 20X13 на основе экспериментальных исследований процесса в построчном фрезерном режиме при различных коэффициентах деформационного трения.

4. Установлены предельные зависимости степени накопленной деформации во взаимосвязи с интегральным параметром А^ и коэффициентом трения К по критерию шероховатости наноструктурированного поверхностного слоя.

5. Выявлено, что степень накопленной пластической деформации сдвига при наноструктурирующем выглаживании цементованной стали 20Х(НРС55) может достигать 8н=10 и более при коэффициенте деформационного трения А' =0,35 (обработка в среде углекислого газа мелкодисперсным кубическим нитридом бора). При этом пока-

затель микропрофиляRa >0,2 мкм. Наноструктурирующее выглаживание с коэффициентом трения А^О, 13 (обработка в среде СОТС Rhenus) обеспечивает ен<4, при этом формируется нанопрофиль поверхности cito<0,1 мкм.

6. Наноструктурирующее выглаживание стали 20X13 эффективно при высокой твердости заготовки (НВ>400) и силах выглаживанияРв >600 Н в среде СОТС (А' =0,11).

7. Установлено, что характер изменения микротвердости наноструктурированного поверхностного слоя в полной мере соответствует предельным характеристикам степени накопленной пластической деформации сдвига.

Список литературы

1. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин A.B. Наноструктурирование

поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 286 с.

2. Сегал В.М. Процессы обработки металлов интенсивной пластичес-

кой деформацией //Металлы. - 2006. - №5. - С. 130 - 141.

3. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с

уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации //Российские нанотехнологии. - 2006. -№1-2. - С. 208-216.

4. Кузнецов В.П., Макаров A.B., Киряков А.Е. Экспериментальные

исследования формирования поверхностного слоя деталей при финишной обработке выглаживанием на токарно-фрезерных центрах (статья) //«Современные проблемы машиностроения»: Труды V Международной научно-технической конференции. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. -С. 571-575.

5. Кузнецов В.П. Макаров A.B., Поздеева H.A. и др. Повышение

прочности, теплостойкости и износостойкости деталей из цементированной стали 20Х наноструктурирующим фрикционным выглаживанием на токарно-фрезерных центрах // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - №9. - С. 3-13.

6. Кузнецов В.П., Макаров A.B., Юровских A.C. и др. Износостойкость

поверхностей деталей из стали 20X13 с субмикро- и нанокрис-таллическими слоями, сформированными выглаживанием на токарно-фрезерном центре // Вестник САМГТУ-2011. - Т. 13. -№4(3). - С. 776-781.

7. Кузнецов В.П., Смолин И.Ю., Дмитриев А.И. и др. Конечно-элемент-

ное моделирование наноструктурирующего выглаживания // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т.16. - №6. - С.87-97.

8. Кузнецов В.П., Никонов А.Ю., Дмитриев А.И. и др. Исследование

механизмов наноструктурирования поверхностного слоя при пластическом деформировании скользящим индентором. Моделирование на атомном масштабе // Физическая мезомеханика. - 2012. -Т.17. - №4 (в печати).

9. Пат. 115706 Российская Федерация, U1 МПК В24В39/00 В82ВЗ/00.

Инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой /Кузнецов В.П.: заявл. 09.11.2011: опубл. 10.05.2012.

10. Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя

прецизионных деталей выглаживанием / Кузнецов В.П.: заявл. 09.02.2011: положительное решение от 27.04.2012.

УДК 621.9.658.011.56 A.C.Пухов, И.А.Иванова

Курганский государственный университет

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Аннотация

В статье рассмотрен синтез автоматизированной системы сбора и контроля дебита нефтяных скважин

Ключевые слова: синтез, автоматизированная установка, контроль.