CC BY
39
Кц возрастает на величину свыше 20%, и наблюдается значительное увеличение Кц при Р/Т<1 и Р/Т>100. Параметр деформационного упрочнения Е1 в рамках использованной расчетной схемы не оказал существенного влияния на результаты расчетов.
Таким образом, в отличие от условий чистого сдвига введение в нагрузку дополнительной сжимающей составляющей приводит к появлению силы, обусловленной трением берегов трещины, и ведет к снижению коэффициента интенсивности напряжений Кц. Влияние величины значения коэффициента трения значительно возрастает в двух случаях: когда сила сжатия в сто раз и более превосходит силу сдвига и когда сила сжатия в десять и более раз меньше силы сдвига. Первый случай легко интерпретируется физически, а второй имеет в своей основе, по-видимому, особенности математической модели принятой расчетной схемы и
численного метода реализации расчетного алгоритма, что, в свою очередь, требует проведения дополнительных исследований.
Проведенные численные исследования показали влияние коэффициента трения на параметры механики разрушения - коэффициент интенсивности напряжений Кц и ^-интеграл - для двух случаев нагружения пластины с трещиной: чистого сдвига и смешанного нагружения сдвиг-сжатие. Установлено, что в условиях чистого сдвига влияние коэффициента трения на исследуемые параметры механики разрушения незначительно. Дополнение сдвига компонентой сжатия приводит к тому, что коэффициент трения начинает оказывать значительное влияние на коэффициент интенсивности напряжений Кц. Значение Кц уменьшается с увеличением коэффициента трения, а также зависит от соотношения сжимающей и сдвиговой нагрузки.
Библиографический список
1. Young Lih-Jier, Tsai Yeong-Pei. A detailed study of rough edge crack with worn asperities // Int. J. Solids and Struct. 2000. V. 37. N 35. P. 4783-4790.
2. Hammouda M. M. I., Fayed A. S., Sallam H. E. M. Mode II stress intensity factors for central slant cracks with frictional surfaces in uniaxially compressed plates // Int. J. Fatigue 2002. V. 24. N 12. P. 1213-1222.
3. Wright T. W. A note on frictional release in microcracks // Int. J. Fract. 1998. V. 91. N 3. P. L37-L42.
4. Chau K. T., Wang Y. B. Singularity analysis and boundary integral equation method for frictional crack problems in two-dimensional elasticity // Int. J. Fract. 1998. V. 90. N 3. P. 251-274.
5. Андреев А.В., Медведева Ю.В., Гольдштейн Р.В., Житников Ю.В. Моделирование эффектов взаимодействия поверхностей трещин в упругой полуплоскости // Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов: материалы XIX междунар. конф. (Санкт-Петербург, 30 мая - 2 июня 2001 г.). СПБ., 2001. С. 36-41.
6. Fredriksson В., Billy S. Elastic contact problems in fracture mechanics // Adv. Res. Strengh. and Fract. Mater. 4th Int. Conf. Fract., Waterloo, 1977, Vol. 3A, New York, e.a. 1978. Р. 427435.
7. Comniaou M. The interface ^ack in shear field // Trans. ASME J. Appl. Mech. 1978. V. 45. N 2. Р. 287.
УДК 621.771.251.073
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ
Л.Г. Климова1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена возможность повышения жесткости маложестких валов за счет увеличения глубины залегания тангенциальных остаточных напряжений сжатия. Дан анализ зависимости остаточного прогиба от усилий при разных степенях относительного обжатия. Выявлена возможность повышения стабильности геометрической формы маложестких валов. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: остаточные напряжения; геометрия поверхности; степень относительного обжатия; остаточный прогиб.
TECHNOLOGICAL OPPORTUNITIES TO REDUCE AND CONTORT LOW-RIGID SHAFTS L.G. Klimova
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article discusses the possibility to increase the rigidity of low rigid shafts by increasing the occurrence depth of the tangential residual compression stresses. It provides the analysis of the dependence of residual deflection on the efforts at various degrees of relative reduction. The possibility to increase the stability of the geometric shape of low-rigid shafts
1 Климова Лариса Генриховна, доцент кафедры начертательной геометрии и технического черчения, тел.: (3952) 405152, 89501267275.
Klimova Larisa, Associate Professor of the Department of Descriptive Geometry and Technical Drawing, tel.: (3952) 405152, 89501267275.
is revealed.
5 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: residual stresses; surface geometry; degree of relative reduction; residual deflection.
В результате создания материалов с высокими прочностными и специальными свойствами в современном машиностроении наметилась тенденция снижения металлоёмкости продукции. Вследствие этого сформировался большой класс нежёстких деталей широкой номенклатуры: валы, оси, ходовые винты, шпиндели станков, тонкостенные цилиндры, втулки, кольца, турбинные лопатки и т.д. Как правило, эти детали ответственного назначения. Поэтому, исходя из обеспечения максимальной надёжности и долговечности, предъявляются высокие требования к их точности и состоянию поверхностного слоя. Достижение заданной точности нежёстких деталей сопряжено со значительными трудностями из-за возникновения технологических упругих и остаточных деформаций.
Остаточные деформации возникают в результате нарушения равновесия напряжённого состояния детали в процессе её обработки и практически полностью проявляются после завершения очередной технологической операции. Величина остаточных деформаций во многом определяется характером распределения остаточных напряжений в поперечном сечении детали.
В работе рассмотрено влияние полей формирования остаточных напряжений на склонность к искривлению маложестких деталей типа валов.
Для определения остаточных напряжений в заготовках валов использовали механический способ растачивания и обтачивания цилиндрических образцов, разработанный Г. Заксом [1] и модифицированный Л.А. Гликманом и А.Н. Бабаевым [2]. После удаления очередного концентрического слоя измеряли радиальные и осевые деформации цилиндра, по которым рассчитывали компоненты тензора остаточных напряжений [2].
Остаточные напряжения в периферийных слоях цилиндрического прутка определяли по изменению осевых и тангенциальных деформаций на внутренней поверхности цилиндра при последовательном удалении наружных концентрических слоёв металла. Правильность расчёта остаточных напряжений проверя-
ли, используя интегральные условия равновесия [2]. Так как предварительное растачивание нарушает равновесие остаточных напряжений, то по методике Г. Закса были определены специальные поправки на остаточные напряжения, снятые в наружных слоях предварительной расточкой [3].
Механическая обработка образцов может непосредственно влиять на нагрев металла и на изменение остаточных напряжений. Поэтому были определены условия резания, обеспечивающие минимальное искажение напряжённого состояния образцов. Эффективность режимов резания проверяли на отожжённых образцах, не имеющих остаточных напряжений.
Изменения размеров цилиндра, возникающие при удалении концентрических слоёв, замеряли с точностью ±1 мкм по зависимости деформация - толщина удаленного слоя и рассчитывали компоненты тензора остаточных напряжений.
На основании статистической обработки результатов эксперимента [5] определено необходимое количество удаляемых слоёв для построения деформационных кривых и установлено оптимальное число замеров цилиндра после удаления очередного слоя металла. Опыты проведены, в основном, на цилиндрических образцах из стали 35 диаметром 30 мм. Начальный диаметр образцов рассчитывали для обеспечения необходимой степени относительного обжатия при использовании одной матрицы. После изготовления образцов их отжигали в защитной среде для снятия остаточных напряжений. Охватывающее деформирование выполняли при использовании твёр-досплавных матриц (ВК8) на гидравлической испытательной машине «Amsler».
С помощью экспериментальных исследований были определены остаточные напряжения после больших пластических деформаций заготовок, после операции правки поперечным изгибом, после совмещения технологических операций.
В таблице представлены максимальные значения
осевых
о„
и тангенциальных
О
<Р
остаточных
Влияние степени относительного обжатия на максимальные значения остаточных напряжений в
Опыт Q, % <ша*.МПа дтах Аг/> , мм °z max ■ МПа max . МПа
1 0,10 -52 12 -160 5
2 0,15 -65 10 -220 5
3 0,30 -102 9 -230 5
4 0,50 -85 6 -240 5
5 0,80 -60 10 -80 5
6 1,00 +5 11 +20 5
7 2,00 +140 8 +360 5
8 3,00 +130 3 +400 5
9 5,00 +120 2 +440 5
o
напряжений, а также глубина залегания (А) остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях.
Все образцы подвергали изгибу на винтовом прессе. Для опыта использовали приспособление с призмами, расстояние между которыми составило 250 мм. Нагрузку величиной 2, 4 и 6 кН поочередно прикладывали к середине образца и фиксировали динамометром. До и после разгрузки замеряли прогиб образцов с помощью индикаторной головки. Остаточный прогиб определяли как разность измерений прогибов до и после нагружения.
Одним из важных параметров, характеризующих стабильность формы деталей в процессе эксплуатации, может служить их сопротивление деформациям от действия внешних нагрузок. Чем больше нагрузка, которая требуется для изменения формы детали, тем она стабильнее при обработке и эксплуатации.
На рис. 1 показана зависимость остаточных прогибов Ъст образцов после охватывающего деформирования от степени относительного обжатия Сверхмалое относительное обжатие (в пределах от 0,1 до 0,5%) практически не влияет на изменение начальной жёсткости изделия. Это можно объяснить тем, что при таких обжатиях деформируются, в основном, микронеровности поверхностного слоя, и изме-
нение механических характеристик происходит только на микроуровне, т. е. на уровне отдельных зёрен.
При увеличении относительного обжатия от 0,5 до 1,2% выявлено снижение остаточного прогиба (см. рис. 1). В интервале указанных степеней относительного обжатия установлено снижение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях (рис. 2). Из полученных результатов следует, что для повышения жёсткости стержневых изделий необходимо снижать остаточные напряжения сжатия. Для окончательного утверждения этого предположения были обработаны результаты теоретических и экспериментальных данных и установлено влияние степени относительного обжатия на глубину залегания остаточных напряжений сжатия (А):
Др = г - г^
Дг = г — г ,
где г - внешний радиус образца; г , г - значения радиуса образца, при котором растягивающие тангенциальные а° и осевые а° остаточные напряжения переходят в сжимающие (рис. 3).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0,%
Рис. 1. Влияние степени относительного обжатия О на величину остаточного прогиба после поперечного
изгиба образца
О 0.2 0,1 0.6 О,
0
Рис. 2. Влияние степени относительного обжатия Q на величину осевых и тангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях упрочненной заготовки
Рис. 3. Зоны перехода растягивающих остаточных напряжений в сжимающие
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,%
Рис. 4. Влияние степени относительного обжатия Q на глубину залегания остаточных напряжений сжатия в периферийных слоях: 1- йф для тангенциальных остаточных напряжений; 2 - йг для осевых остаточных напряжений
^ост , мм
0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02
% %
= 0,50 %
= 0,80 %
1 2 3 4 5 6 Р, кН
Рис. 5. Зависимость остаточного прогиба Тост от усилий Р при разных степенях относительного обжатия О
Результаты расчёта, представленные на рис. 4, выявили неоднозначную зависимость А от Так, при увеличении обжатия от 0,1 до 0,5% глубина слоя с тангенциальными остаточными напряжениями сжатия падает, а при увеличении обжатия с 0,6 до 1,2% - растёт. Влияние степени относительного обжатия на изменение глубины распространения осевых остаточных напряжений отмечено не было.
Таким образом, жёсткость упрочнённых изделий может быть повышена за счёт увеличения глубины залегания тангенциальных остаточных напряжений сжатия. Аналогичный вывод сделан и в работе [6] при исследовании локальных методов упрочнения.
На рис. 5 представлена зависимость остаточного прогиба ^ст от усилий поперечной правки. Опыты выполнены при степени относительного обжатия в пределах 0,1-1,0%. Подтверждена известная в теории и практике зависимость остаточного прогиба от величины поперечной нагрузки - с увеличением силы F прогиб балки ^ст возрастает. Независимо от степени относительного обжатия в данном интервале эта закономерность получена линейной. На исследуемом интервале нагрузки F установлено, что при малых значениях 0 (в пределах 0,1-0,5%) жёсткость упрочнённой заготовки практически не изменяется. Обжатие 0,6 до 1,0 % оказывает положительное влияние на увеличение изгибной жёсткости цилиндрических изделий типа валов. Причём наибольшее сопротивление изгибу оказали образцы, упрочнённые обжатием около
1%, при котором остаточные напряжения на поверхности близки к нулю, а глубина их действия имеет наибольшие значения по сравнению с другими опытами. Так, остаточные деформации образцов, упрочнённых охватывающим деформированием с обжатием 1% и нагружением поперечной силой 6 кН, оказались в 5 раз меньше, чем деформации при изгибе образцов без упрочнения. Из полученных зависимостей следует, что с увеличением глубины залегания тангенциальных остаточных напряжений сжатия сопротивление деталей изгибу существенно возрастает. Поэтому детали, упрочнённые при более интенсивных режимах ^ = 0,5-1%), труднее поддаются холодной правке, но их форма более устойчива.
Итак, в данной работе:
^ установлено влияние величины полей остаточных напряжений на изгибную жёсткость упрочнённых валов. Причём, если роль осевых остаточных напряжений при этом незначительна, то тангенциальные напряжения имеют неоднозначное воздействие на стабильность геометрической формы валов;
^ экспериментально выявлено, что с увеличением относительного обжатия глубина слоя с тангенциальными остаточными напряжениями падает, а с увеличением обжатия с 0,6 до 1,2% - растёт;
^ установлено, что упрочнение валов осесиммет-ричным нагружением с относительным обжатием в пределах 0,5-1,2% оказывает положительное влияние на жёсткость упрочнённых валов.
Библиографический список
1. Бернштейн Г.Ш., Луковникова Г.Н. Исследование влияния поверхностного упрочнения и холодных правок на прочностные и точностные характеристики деталей // Новые способы упрочняюще-отделочной обработки наружных и внутренних поверхностей деталей поверхностной пластической деформацией: труды НИИтрактрсельхозмаш. М., 1973. 166 с.
2. Гликман Л.А., Бабаев А.Н., Левин В.М. О рациональном использовании способа Гейна и Бауэра для определения остаточных напряжений в цилиндрах // Зав. лаб. 1976. № 5. С. 94-103.
3. Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1992. 200 с.
4. Закс Г. Практическое металловедение. М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1938. 244 с.
5. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов экспериментов. Справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192 с.
6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.
УДК 621.7.04
ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГИБКИ-ПРОКАТКИ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ОБШИВОК КРЫЛА В КОМБИНИРОВАННОМ ПРОЦЕССЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
А.Е. Пашков, А.Ю. Малащенко
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 6664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена автоматизированная гибка-прокатка деталей типа обшивок крыла в комбинированном процессе формообразования. Приведена последовательность определения технологических параметров гибки на основе экспорта данных из электронной модели деталей. На базе разработанной математической модели проведён
1 Пашков Андрей Евгеньевич, доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, e-mail: [email protected]
Pashkov Andrey, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (908) 6568030, e-mail: [email protected]
2Малащенко Александр Юрьевич, младший научный сотрудник кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89086568030, e-mail: [email protected]
Malaschenko Alexander, Junior Research Worker of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89086568030, e-mail: [email protected]
