CC BY
30
УДК 620.179, 620.197
КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО МЕТОДА СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН
CONTROL OF RESIDUAL STRESSES AND DETERMINING THE OPTIMAL METHOD OF COMBINED TREATMENT OF GEAR TEETH
А. А. Ширяев1, В. Ф. Макаров1, А. С. Нуртдинов1, А. С. Горбунов2
'Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия
2 АО «Редуктор-ПМ», г. Пермь, Россия
A. A. Shiryaev1 V. F. Makarov1, A. S. Nurtdinov1, A. S.Gorbunov2
'Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia 2Reductor-PM OJSC, Perm, Russia
Аннотация. Для получения изделий с требуемыми эксплуатационными свойствами необходимо учитывать особенности технологического процесса их изготовления, в частности, механическую обработку резанием, шлифование, методы упрочнения. Процесс механической обработки сопровождается интенсивной пластической деформацией, что приводит к наведению системы остаточных напряжений. Цель работы: определение оптимального метода обработки зубьев шестерен, сочетающего химико-термическую обработку - цементацию и поверхностную пластическую обработку - обдувку дробью, при которой получаем сжимающие остаточные напряжения. Измерение остаточных напряжений выполнялось на глубину до 200 мкм. Исследование выполнялось на плоских образцах, материал: 12Х2Н4А Новизна: проведен анализ режимов совмещенной технологии на эпюру распределения остаточных напряжений.
Ключевые слова: остаточные напряжения, химико-термическая обработка, цементация, поверхностная пластическая деформация, дробеструйная обработка.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-88-94
I. Введение
При проектировании и изготовлении изделий ответственного назначения одним из регламентируемых параметров, которые указываются в конструкторско -технологической документации, является уровень остаточных технологических напряжений (ОН) [1,3].
Опыт эксплуатации различных конструкций и результаты многочисленных экспериментов доказывают, что ОН существенно влияют на надёжность и долговечность техники [2]. Наличие ОН влияет на эксплуатационные характеристики деталей - износостойкость, усталостную прочность и т.д. [5,6,8,9].
Для определения ОН широко применяется метод рентгеновской дифрактометрии. Данный метод неразру-шающего контроля сочетается с другими методами и позволяет надёжно определить величину ОН с точностью, достаточной для решения технологических, конструкторских и научных процессов [4,7]. Для исследуемого материала глубина проникновения рентгеновских лучей равна 5,8 мкм.
II. Постановка задачи
Для дальнейшего повышения эффективности обработки поверхности деталей и формирования требуемого уровня ОН интерес представляют совмещенные технологии, использующие методы ХТО и механической обработки.
В работе исследуется совмещенный процесс цементации и дробеструйной обработки на уровень ОН.
В рамках проведения исследований необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ научно-технической и патентной литературы по проблеме использования совмещенных технологий.
2. Проведение цементации с последующей дробеструйной обработкой на разных режимах.
3. Исследование эпюры распределения ОН по глубине поверхностного слоя образцов.
4. Анализ влияния режимов совмещенной технологии на эпюру распределения ОН.
III. Теория
1. Дробеструйная обработка
Методы обработки поверхности широко применяются для улучшения свойств деталей с точки зрения износа, усталости и коррозионного растрескивания под напряжением путем преобразования поверхности обрабатываемых деталей. Методы ППД приводят к формированию сжимающих ОН в смежных поверхностных областях в дополнение к растущей плотности дислокаций. Что приводит к образованию затвердевших рабочих слоев, которые служат для ингибирования или замедления инициирования усталостной трещины и роста усталостной трещины [10,11]. Обработка поверхности в конечном итоге увеличивает срок службы деталей. Среди методов ППД дробеструйная обработка - это процесс холодной обработки, широко применяемый для повышения усталостной долговечности аэрокосмических, морских и автомобильных деталей. При дробеструйной обработке поверхность деталей обрабатывают потоком дроби.
Приблизительно половина кинетической энергии дроби переносится на поверхность, причем только 10 % этой переданной энергии преобразуется в запасенную энергию холодной работы. Дробеструйная обработка вызывает следующие четыре основных эффекта на поверхности деталей: поверхностное углубление, упрочнение, изменения в структуре и наведение ОН [12].
Рис.1. Схематическое изображение эффектов дробеструйной обработки
На рис. 1 показано схематическое изображение эффектов дробеструйной обработки. Качество обработки зависит от интенсивности пластин Альмена и величины индуцированного ОН [13]. Правильный выбор и контроль параметров обработки требуется для стабильности результатов [13,14]. В частности, интенсивность и поверхностное упрочнение пластин Альмена - это показатель эффективности, которые гарантируют эффективность и повторяемость процесса дробеструйной обработки [15,16].
2. Анализ литературы
Рассмотрены экспериментальные исследования, направленные на повышения качественных характеристик дробеструйной обработки. Grendahl et al. [16] оценили влияние усталостной прочности к изменениям параметров процесса дробеструйной обработки (угол сопла, давление воздуха, расстояние сопла и размер воздушной струи). Miao et al. [15] представила объединенную аналитическую модель для изучения эффектов параметров дробеструйной обработки (тип дроби, размер, скорость и угол) на возникающую интенсивность и ОН в пластине Альмена. Было обнаружено, что скорость дроби является преобладающим параметром для интенсивности Альмена. Было показано, что при заданной комбинации размеров, материала и угла интенсивность Альмена увеличивается с увеличением скорости выстрела от 10 до 60 м/с. Однако исследования этих исследователей основаны на экспериментальной процедуре изменения одного фактора за раз и изучения влияния этого фактора на свойства. Это обычно занимает много времени и очень часто неэффективно.
George и др. [14] применили ортогональную матрицу L8 с четырьмя параметрами (время экспозиции, рабочая высота, размер дроби и скорость дроби). Они определили влияние условий процесса на интенсивность и обнаружили, что высота работы (расстояние сопла) является наиболее преобладающим параметром. Mahagaonkar и др. [17,18] провели эксперименты с использованием полнофакторного эксперимента для определения влияния четырех параметров (давления, типа дроби, времени экспозиции и расстояния сопла) и их взаимодействия на микротвердость и усталостную долговечность стали, используемой в конструкциях самолетов. Параметры, используемые в экспериментах по дробеструйной обработке в вышеупомянутых работах, - время экспозиции, расстояние сопла (рабочая высота), размер дроби, давление (скорость потока и скорость), угол сопла, размер сопла (размер воздушной струи) и тип дроби. Nam et al. [11] исследовали влияние четырех параметров формования (расстояние сопла, давление, угол удара и время экспозиции) на микротвердость и ОН на основе экспериментальных данных с использованием конструкции Box-Behnken.
IV. Результаты экспериментов
1. Образцы и оборудование
Образцы: пластины 75х18х3 мм. Материал: 12Х2Н4А. Химический состав стали указан в табл. 1. Варьировались режимы ППД (см. табл. 2).
Измерение ОН проводилось методом рентгеновской дифрактометрии с использованием роботизированного комплекса XStress 3000 G3 и коллиматором диаметром 3 мм.
Рис. 2. Общий вид образцов
Ш
Рис. 3. Расположение образцов в камере дифрактометра
Технологический процесс обработки образцов:
1. Фрезерование;
2. Цементация (ИЯС 50.. .56);
3. Параллельное шлифование;
4. ППД (дробеструйная обработка).
ТАБЛИЦА 1 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛИ 12Х2Н4А, (%)
C Si Mn № S P еь Fe
5 7 3. ю 5 ю 5 2 о 5 2 о 5 3.
о о о го СП
0. .0 г- .0 го .0 «ч 2. .3 о VI о VI 2. VI о\
ТАБЛИЦА 2 РЕЖИМЫ ППД
№ образца Параметры
Давление, атм Материал дроби Время обработки, сек
1 3 Стекло 30
2 4 Сталь 30
3 4 Стекло 30
4 5,2 Сталь 45
5 Без обработки
2. Травление
Травление образцов осуществлялось до глубины 200 мкм: до 110 мкм с шагом 10 мкм, далее 125-150-175200. Точка травления в центре образца. Пятно травления: 0 10 мм. Используемое оборудование: Моу1ро1-5.
V. Обсуждение результатов 1. Графики распределения ОН по глубине
Stress
j 1/ / /ж t
/
if
г/ jjf
ч 1 £ J/i Л
■ » + « •Ш—Г
О 10 30 50 70 90 110 150 200
Глубина, мкм
Рис. 6. Распределение ОН по глубине в образце № 1
На поверхности ОН равны -1000 МПа, до глубины 30 мкм снижаются до -1300 МПа, после чего возрастают. На глубине 200 мкм их величина достигает -100^-30 МПа.
Stress
О 10 30 50 70 90 110 1 50 200
Глубина, мкм
Рис. 7. Распределение ОН по глубине в образце №2
Для режима № 2 на поверхности ОН равны -780 МПа, после следует резкое возрастание до -100 МПа (глубина 70 мкм). Затем до 200 мкм их величина колеблется в диапазоне - 100^-25 МПа.
Stress
-1 400 -I
I ■ i 1 I ' i 1 I 1 i ■ I 1 ■ 1—I 1 i ' I 1 ' ■ I 1 i ■ I 1 ■ 1 I
О Í0 30 50 70 90 110 150 ZÓO
Глубина, мкм
Рис. 8. Распределение ОН по глубине в образце №3
При режиме ППД №3 на поверхности ОН равны -950 МПа, далее величина ОН снижается до глубины 40 мкм, где достигает -1350 МПа. Затем резко возрастает до -100 МПа на глубине 110 мкм. До 200 мкм величина ОН не изменяется и находится в диапазоне -100^-40 МПа.
Stress
0 10 30 50 70 90 110 150 ZOO
Глубина, мкм
Рис. 9. Распределение ОН по глубине в образце №4
На поверхности образца №4 ОН равны -900 МПа, до глубины 20 мкм величина ОН снижаются, где достигает -1000 МПа. Далее следует возрастание ОН -100 МПа при глубине 110 мкм. Затем до 200 мкм их величина мало изменяется и находится в диапазоне -100^-40 МПа.
На поверхности образца без ППД ОН равны -700^-500 МПа. Затем резко возрастают до -250^-180 МПа (глубина 30 мкм). Далее до 125 мкм их величина почти не меняется и находится в диапазоне -270^-180 МПа.
Особенности травления
На образце №1 опытным путём был подобран режим травления. Для образцов № 2-4 он исполнялся без изменений.
Рис. 10. Распределение ОН по глубине в образце №5
При травлении образца №5 наблюдалось неравномерное стравливание металла по глубине. Так, например, при 19 с травления в одном случае стравливалось 25 мкм, во втором - 30 мкм. Такое выполнялось в начале (5-20 мкм) и в конце (150-200 мкм).
Вероятно, это связано с неоднородностью материала.
VI. Выводы и заключение
■ Применение стеклянной дроби приводит к большим сжимающим ОН по сравнению со стальной дробью как на поверхности (-1000 МПа), так и по глубине (-1300 МПа).
■ Для образцов № 1, 3 характерно распределение, при котором ОН сперва снижаются и достигают своего минимума на глубине 30-40 мкм, а затем возрастают.
■ Для всех образцов ОН сжимающие на всей глубине травления.
■ Цементация наводит сжимающие напряжения, максимум которых находится на поверхности, затем следует резкое возрастание ОН до -200 МПа.
■ Наблюдается неравномерность стравливания металла для образцов без упрочняющей обработки (ППД).
Список литературы
1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М: Машиностроение, 1963. 232 с.
2. Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М: Металлургия, 1989. 254 с.
3. Кравченко Б. А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин при механической обработке. Куйбышев: КПтИ, 1981. 90 с.
4. Трофимов В. Н., Карманов В. В., Панин Ю. В., Бачева А. В. Влияние режимов механической обработки стали 09Г2С на формирование остаточных напряжений // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2015. № 2. С. 48-53.
5. Capello E. Residual stresses in turning: Part I: Influence of process parameters // Journal of Materials Processing Technology. 2005. No. 160 (2). Р. 221-228.
6. Cheng Y., Xu M., Guan R., Liu L. [et al.]. Generation mechanism of insert residual stress while cutting 508III steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. No. 91. Р. 247-2557. DOI: 10.1007/s00170-016-9724-8.
7. Martinez S., Sathish S., Blodgett M. [et al.]. Residual Stress Distribution on Surface-treated Ti-6AI-4V by X-ray Diffraction // Experimental Mechanics. 2003. No. 43. Р. 141-147. DOI:10.1007/BF02410495.
8. Meng-yang Q., Bang-yan Y., Xiong J. [et al.]. Experimental investigation of residual stress distribution in pre-stress cutting // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. No. 65. Р. 355-361. DOI: 10.1007/s00170-012-4174-4.
9. Qi Z., Li B., Xiong L. The formation mechanism and the influence factor of residual stress in machining // Frontiers of Mechanical Engineering. 2014. No. 9. P. 265-269. DOI 10.1007/s11465-014-0311-0.
10. Mhaede M. Influence of surface treatments on surface layer properties fatigue and corrosion fatigue performance of AA7075 T73 // Mater Des. 2012. No. 41. P. 61-66. D0I:10.1016/j.matdes.2012.04.056.
11. Afazov S., Becker A., Hyde T. Effect of micro-stresses from machining and shot peening processes on fatigue life // Int J Adv Manuf Technol. 2010. No. 51. P. 711-722. D0I:10.1007/s00170-010-2638-y.
12. Kirk D. Review of shot peened surface properties // Shot Peener. 2007. No. 21(4). P. 24-30.
13. Sharp P., Clark G. The effect of peening on the fatigue life of 7050 aluminum alloy// DSTO Defense Science and Technology Organisation, Commonwealth of Australia, 2001. 68 c.
14. George P., Pillai N., Shah N. Optimization of shot peening parameters using Taguchi technique // Int J Mater Prod Technol. 2004. No. 153. P. 925-930. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2004.04.159.
15. Miao H., Larose S., Perron C., Levesque M. An analytical approach to relate shot peening parameters to Almen intensity // Surf Coat Technol. 2010. № 205. P. 2055-2066. DOI:10.1016/j.surfcoat.2010.08.105.
16. Grendahl S., Snoha D., Hardisky B. Shot-peening sensitivity of aerospace materials. ARL-TR-4095 // Army Research Laboratory. 2007.
17. Mahagaonkar S., Brahmankar P., Seemikeri C. Effect shot peening parameters on microhardness of AISI 1045 and 316L material: an analysis using design of experiment // Int J Adv Manuf Technol. 2008. No. 38. P. 563-574. DOI:10.1007/s00170-007-1222-6.
18. Mahagaonkar S., Brahmankar P., Seemikeri C. Effect on fatigue performance of shot peened components: an analysis using DOE technique // Int J Fatig. 2009. No. 31. P. 693-702. DOI:10.1016/j.ijfatigue. 2008.03.020.
УДК 004
АРХИТЕКТУРА МУЛЬТИАГЕНТНОЙ ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЯ THE ARCHITECTURE OF THE MULTI-AGENT SEARCH SYSTEM OF THE COMPANY
А. Г. Янишевская, П. В. Пестерев
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. G. Yanishevskaya, P. V. Pesterev
От^'к State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Использование поисковых систем на предприятиях позволяет обеспечить быстрый и удобный поиск информации на большом количестве серверов одновременно большому количеству пользователей. Поскольку такая система является сложной и состоит из большого количества приложений, то для ее создания эффективным является использование теории мультиагентных систем. Для более систематизированного поиска предлагается использование методов ранжирования полученных результатов. В статье описывается разработанная математическая модель определения показателя страницы на основе факторов ранжирования для определения положения страницы в результатах поисковой выдачи. В предложенной архитектуре мультиагентной поисковой системы предприятия разработанную модель исполняет агент обработки результатов.
Ключевые слова: мультиагентная система, поисковая система предприятия, оценка надежности системы, оценка загруженности каналов.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-94-101
I. Введение
САПР - автоматизированная система, обеспечивающая реализацию информационной технологии выполнения функций проектирования [1], представляет собой организационно -техническую систему из персонала и комплекса программных, технических или иных средств автоматизации процессов проектирования [2]. Любая организация или предприятие, планирующие внедрение программно-аппаратного комплекса САПР [3, 4], должна обеспечить наличие компьютеров с целью реализации серверов приложений, сервисов и данных пользователей. Хранение большого количества информации на серверах приводит к необходимости ее быстрого,
