CC BY
13
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
7. Гусев А.Ф., Измайлов В.В., Новоселова М.В. Моделирование процессов контактирования гранул порошкового электроконтактного материала для прогнозирования его свойств // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 93-98.
8. Горячева З.В. Спеченные материалы, их свойства и применение. М. : Металлургия, 1979. 72 с.
9. Пименова Н.В. Получение и исследование свойств композиционных материалов на основе
меди : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2009. 16 с.
10. Гершман И.С. Разработка износостойких материалов с помощью методов неравновесной термодинамики на примере скользящих электрических контактов : дис. ... доктора техн. наук. Москва, 2006. 234 с.
11. Роман О.В., Скороход В.В., Фридман Г.Р. Ультразвуковой и резистометрический контроль в порошковой металлургии. Мн. : Высш. шк., 1989. 182 с.
УДК 621.982.5
Минаев Николай Владимирович,
инженер кафедры ТОМП, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. +79642150149, e-mail: [email protected] Тихонов Александр Геннадьевич, магистрант,
Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. +79041423252, e-mail: [email protected]
ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ КОНСТРУКТИВНО ПОДОБНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ
ПОСЛЕ РАСКАТКИ РОЛИКАМИ
N. V. Minaev, A G. Tikhonov
PROBLEMS OF RESIDUAL STRESS MEASUREMENT ON SAMPLES OF STRUCTURALLY SIMILAR ELEMENTS OF ALUMINUM PARTS AFTER ROLLING BY ROLLERS
Аннотация. Рассмотрен способ определения технологических остаточных напряжений (ТОН) механическим методом (удаления слоев). Исследовались образцы конструктивных элементов фрезерованной детали после правки и формообразования с помощью раскатки роликами. Пошагово описана методика получения элементарных образцов-полосок из обработанных исходных образцов, а также дальнейшая методика измерения ТОН на установке УДИОН-2. Основной задачей изучения распределения остаточных напряжений в материале по глубине после раскатки роликами является определение режимов обработки, при которых выполняется пересечение зоны деформирования и средней плоскости материала. Точность результатов ОН после раскатки роликами по сравнению с обработкой дробью имеет ряд изъянов. Основным является неоднородность покрытия исследуемой поверхности образца-пластины по ширине отпечатка ролика. Это связано с недостатками конструкций существующих раскатных устройств. Также разнятся отпечатки от роликов на одной установке, это связано с тем, что один из роликов является приводным, а на другой возложена функция создания сдавливающего усилия. Это приводит к необходимости изучения залегания ОН с обеих сторон, что увеличивает трудоемкость процесса. В процессе травления не достигнута глубина, когда значения остаточных напряжений равны нулю, т. е. момент полного их высвобождения. Это может быть достигнуто увеличением толщины образца-полоски и, соответственно, времени его травления для большего удаления деформированного слоя. Определение ОН в образцах-полосках на установке УДИОН-2 проводилось согласно методике определения остаточных напряжений в металлических сплавах механическим методом. Показаны результаты распределения по глубине остаточных напряжений после раскатки роликами. На основе проведенного исследования был выявлен ряд проблем, связанных с данным способом обработки, и предложены пути решения.
Ключевые слова: комплексная технология формообразования панелей, правка деталей, технологические остаточные напряжения, раскатка роликами, напряженно-деформированное состояние.
Abstract. The method of determination of technological residual stresses (TRS) by mechanical method (removal of the layers) is considered. Specimens of the structural elements of the machined parts after straightening and forming using rolling by rollers were studied. Procedure for the preparation of elementary samples of the strips from the processed initial samples, and a further method of measuring the TRS on the setting ODION-2 are described step by step. The main objective of the study of the distribution of residual stresses in the material in depth after rolling by rollers is the determination of the machining modes, in which there is the intersection of zone of deformation and the mid-plane of the material. The accuracy of the RS results after rolling by rollers compared with shot blasting has a number of flaws. The main one is the heterogeneity of coating the surface of the sample plate across the width of the roller print. This is due to the disadvantages of existing constructions of roller devices. Also the prints from the rollers on one system vary, due to the fact that one of the rollers is driven and the other is assigned with the function of creating a compressive stress. This leads to the necessity to study the occurrence of RS from both sides, which increases the complexity of the process. In the etching process the depth where the value of residual stress is zero, i.e. the moment of their release, is not reached. This can be achieved by increasing the thickness of the sample strips and, accordingly, the time of the etching for greater removal of the deformed layer. The determination of RS in the sample strips on the installation of ODION-2 was carried out according to the method of determining residual stresses in metal alloys by mechanical method. The results of the distribution with depth of residual stresses after rolling by rollers is shown. On the basis of the study a number of problems associated with the processing method and the solutions suggested are.
Keywords: complex technology of forming panels, parts editing, technological residual stresses, rolling by rollers, stress-strain
state.
Введение
Методы измерений остаточных поверхностных и внутренних технологических напряжений, позволяющие оценивать напряженно-
деформирование состояние (НДС), занимают основное место в контроле характеристик материалов, подвергающихся различным видам технологического воздействия.
Контроль НДС осуществляется методами разрушающего и неразрушающего контроля. При этом эксплуатационные свойства изделия определяются как величиной остаточных напряжений на поверхности, так и характером их распределения по глубине поверхностного слоя. К числу трудно решаемых проблем относится определение остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое деталей машин, при механической обработке, термической обработке, поверхностном пластическом деформировании (ППД). Одним из самых удачных классических способов определения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя является метод удаления слоев, доля использования которого составляет 16 % по отношению к другим методам определения ТОН. Этот метод реализован в ИРНИТУ на установке УДИОН-2.
Методика определения остаточных напряжений после комплексного процесса формообразования панелей, механообработки [1-10] и правки деталей раскаткой роликами [11-14] и другими видами ППД [15], а также в процессе сборки [12, 16, 17] является недостаточно освоенной. И распределения ОН по глубине после данной обработки являются недостаточно исследованными.
Основной задачей изучения распределения остаточных напряжений в материале по глубине после раскатки роликами является определение режимов обработки, при которых выполняется пересечение зоны деформирования и средней плоскости материала.
Определение ОН в образцах-полосках на установке УДИОН-2 проводилось согласно методике определения остаточных напряжений в металлических сплавах механическим методом и состоит из следующих этапов.
Изготовление образцов-полосок
из исходных образцов-пластин
У исходных образцов-пластин удаляется припуск на противоположной стороне от исследуемой с целью получения номинальной толщины образца, которая зависит от толщины предполагаемого деформированного слоя. Данная операция
осуществляется с помощью фрезерования на щадящих режимах.
Следующим этапом является вырезка образцов-полосок с габаритными размерами 8^60 мм, на разрезном станке. Далее производится слесарная обработка образцов для снятия заусенцев и скругления острых кромок после операций фрезерования и вырезки. На сторону, противоположную исследуемой, наносится маркировка образца ударным способом.
В каждом образце сверлится отверстие диаметром 2 мм для подвешивания образца в отсеке сушильного шкафа после нанесения изоляционного покрытия. Образец-полоска представлен на рис. 1.
Измерение образцов
С помощью микрометра измеряются геометрические параметры образца-полоски. На специальном приспособлении определяется стрела прогиба образца на базе 40 мм. Определяется масса образцов с точностью до 0,002 г на аналитических весах, данная операция выполняется с предварительным обезжириванием образцов.
Рис. 1. Образец-полоска
Монтаж образцов-полосок в метрологические рамки установки УДИОН-2
Сначала образцы-полосоки покрываются изоляционным покрытием. На верхнюю часть образца-полоски монтируется двуплечий рычаг с фторопластовыми наконечниками для передачи деформации на тензометрический датчик (рис. 2). Нижняя часть образца-полоски устанавливается в приспособление для закрепления образцов. Поверхность приспособления, погружаемая в травящий раствор, а также образцы-полоски и основания двуплечевых рычагов покрываются слоем парафина. Исследуемая поверхность образца, подвергаемая травлению, очищается от парафиновой плёнки и защитного покрытия. Определение исследуемого участка образца производится с помощью концевой меры длины 30 мм.
Рис. 2. Установка образца-полоски в приспособление для закрепления образцов
Травление образца (рис. 3)
Приспособление для закрепления образцов 1 с предустановленными образцами (до 4 шт.) устанавливается и фиксируется в вытяжном шкафу 3 над ванной с раствором 4, расположенной на столе подъёмного механизма 5. Его фиксация осуществляется специальным кронштейном из нержавеющей стали 2.
Выполняется подключение тензометриче-ских датчиков к кроссировочной плате системы сбора данных 6 с последующей проверкой работоспособности системы сбора данных.
Перед проведением измерения производится настройка программного обеспечения, которая представляет собой ввод данных об исследуемом материале и образцах-полосках.
После этого запускается эксперимент: включается приточно-вытяжная система вентиляции, активизируется сценарий эксперимента системы сбора данных, поднимается стол подъёмного механизма с ваннами так, чтобы образец был полностью погружен в раствор. В процессе послойного химического травления материала исследуемой поверхности образцов производится запись пере-
Рис. 3. Исследовательский комплекс УДИОН-2 для измерения ТОН: 1 - приспособление для закрепления образцов; 2 - кронштейны для приспособлений; 3 - вытяжной шкаф; 4 - ванна с раствором для травления и термостатирующая ванна; 5 - устройство подъема ванн;
6 - устройство обработки данных
Машиностроение и машиноведение
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
Толщина снимаемого слоя, мм
Рис. 4. Распределение ОН после раскатки роликами
мещения контрольной точки тензометрического датчика и построение деформационной кривой в режиме реального времени.
По завершении эксперимента образцы -полоски демонтируются, с поверхности образцов удаляется изоляционное покрытие, образцы промываются, обезжириваются и взвешиваются на аналитических весах. По разнице масс образца до и после проведения эксперимента рассчитывается скорость травления образца в процессе измерения.
Расчет и построение эпюр ОН
Расчёт остаточных напряжений производится по данным, полученным в результате подготовки и проведения эксперимента, с помощью программы расчёта остаточных напряжений механическим методом, разработанной в ИРНИТУ. По полученным расчётным данным строится эпюра ОН.
Результаты залегания ОН, полученные после обработки пластины (материал В95пчТ2, толщина 4 мм) раскаткой роликами (момент затяжки болта, создающего сжатие роликов, - 18 нм), показаны на рис. 4.
Выводы
Точность результатов ОН после раскатки роликами по сравнению с обработкой дробью имеет ряд изъянов. Основным является неоднородность покрытия исследуемой поверхности образца-пластины по ширине отпечатка ролика. Это связано с недостатками конструкций существующих раскатных устройств [18]. Также разнятся отпечатки от роликов на одной установке, это связано с тем, что один из роликов является приводным, а на другой возложена функция создания сдавливающего усилия. Это приводит к необхо-
димости изучения залегания ОН с обеих сторон, что увеличивает трудоемкость процесса. По эпюре (рис. 4) видно, что в процессе травления не достигнута глубина, когда значения остаточных напряжений равны нулю, т. е. момент полного их высвобождения. Это может быть достигнуто увеличением толщины образца-полоски и, соответственно, времени его травления для большего удаления деформированного слоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1.
2.
Автоматизация производства длинномерных панелей и обшивок на иркутском авиационном заводе / А.А. Вепрев и др. // Наука и технологии в промышленности. 2013. № 1-2. С. 49-52 Пат. 125505 Рос. Федерация. Дробеметное устройство / А.Е. Пашков, В.В. Герасимов, П.Г. Гришаев, А.А. Пашков. № 2012136404. Заявл. 24.08.2012 ; опубл. 10.03.13.
3. К вопросу обеспечения точности определения интенсивности поверхностного упрочнения / А.Е. Пашков и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование / Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. 2010. № 1. С.102-107
4. Пашков А.Е. Технологический комплекс для формообразования длинномерных панелей и обшивок на базе отечественного оборудования // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2014. Т. 16. № 1 (5). С. 1528-1535.
5. Пашков А.Е. Об особенностях применения отечественной и зарубежной технологии формо-
образования обшивок и панелей самолетов // Вестник ИрГТУ. 2015. Вып. 5 (100). С. 17-21.
6. Пашков А.Е. Автоматизированная технология комбинированного формообразования панелей самолетов // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2013. Т. 15, № 6 (2). С. 453-457.
7. Герасимов В.В., Пашков А.А., Максимов Г.Б. Повышение эффективности дробеметных аппаратов контактного типа для формообразования панелей // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : материалы конф. 2012. С. 126-133.
8. Говорков А.С., Жиляев А.С. Информационная модель проектируемой конструкции изделия планера самолета // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2013. Т. 15. № 6-2. С. 335-338.
9. Чапышев А.П., Пашков А.Е. Учет влияния структуры зоны обработки при дробеударном формообразовании // Технологическая механика материалов : Межвуз. сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003.
10. Каргапольцев С.К. Остаточные деформации при фрезеровании маложестких деталей с подкреплением / науч. ред. А.И. Промптов. Иркутск, 1999.
11. Пашков А.Е., Викулова С.В., Макарук А.А. Формообразование и правка маложестких деталей при помощи переносного инструмента // Высокие технологии в машиностроении : материалы Всерос. научн.-техн. конф. с междунар. участием. Самара : Изд-во СамГТУ. 2009. С.156-159.
12. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц А.В. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. С. 50-54.
13. Макарук А.А. Методика расчета технологических параметров процесса правки фрезерованных деталей каркаса раскаткой роликами // Вестник ИрГТУ № 9 (68). 2012. С. 46-50.
14. Макарук А.А. Исследование процесса правки фрезерованных деталей каркаса раскаткой роликами // Вестник ИрГТУ. 2012. № 5 (64). С.27-35.
15.Пат. 2141390 Рос. Федерация. Способ правки тонкостенных оболочек / С.К. Каргапольцев, М.В. Некрытый ; заявитель Вост.-Сиб. ин-т МВД РФ. № 98110229/02 ; заявл. 26.05.1998 ; опубл. 20.11.1999.
16. Говорков А.С. Методика количественной оценки технологичности конструкции изделий авиационной техники // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 1. С. 31-37.
17. Говорков А.С. Параметры объектов производственной системы при проектировании технологического процесса сборки // Наука. Промышленность. Оборона : тр. XI Всерос. науч.-техн. конф. Новосибирск, 2010. С. 123-127.
18.Пат. 2478032 Рос. Федерация. Устройство для обкатывания рёбер панелей с регулируемой нагрузкой / А.Е. Пашков, А.А. Лихачёв, В.Н. Москвитин, В.П Кольцов. Опубл. 10.03.13.
