Технологическое управление остаточными напряжениями при охватывающем деформировании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Волновые процессы, происходящие при работе гидрораспределителей, являются полигар-монинескими колебаниями, поэтому для анализа их необходимо раскладывать в ряды Фурье. Сигнал, состоящий из спектра гармонических колебаний, можно представить в ввде

ад ад

г/.\ X""' i2nk/T X""' ікщі

f(t) = Z Cke =L Cke 1 ,

—ад —ад

где T - период колебаний; кю1 - угловая частота колебаний; к - целые числа; Ck=cke~'^k - комплексная амплитуда; ск - амплитуда гармоники; qk - ее начальная фаза.

Спектр тонального сигнала с некратными частотами юк имеет вид

ТО

f (t) = Z Ck cos(co k^ + VkL

к=1

где rnk, ck и qk - частоты, амплитуды и фазы составляющих:

ск =\lak+ bl; tg^k = bk/ak, где akHbk- коэффициенты Фурье.

Для автоматизации процессов виброакусти-ческого анализа в среде математического пакета МЛТЬЛБ была разработана программа, позволяющая решать задачи сравнения текущего состояния объекта (гвдрораспределителя) с эталонным , а результат такого сравнения соотносить с набором классифицирующих функций, с помощью которых производится распознавание параметров акустического сигнала.

Пример результатов работы программы показан на рисунке. По оси абсцисс отложены амплитуды звуковых колебаний в Дб, по оси ординат - частоты в Гц

Были проведены эксперименты по оценке технического состояния распределителей, находящихся в гвдросистеме дрессировочного стана 1700 ЛПЦ-5 ОАО «ММК».

На основании данных, полученных при проведении анализа результатов, выявленных при обработке акустических характеристик, снятых с гвдрораспределителей, можно сделать следующий вывод: частота акустических колебаний, наблюдающихся в гвдрораспреде лите лях, понижается с увеличением срока службы аппарата, т. е. с увеличением износа в паре золотник-корпус.

Библиографический список

1. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М .А.. Справочник по акустике. М.: Связь, 1979. 312 с.

2. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Ред. совет: В.Н.Челомей (пред.). Т. 1: Колебания линейных систем / Под ред.

В.В.Болотина. М.: Машиностроение, 1978. 352 с.

3. Гринчар Н.Г. Прогнозирование остаточного ресурса гидроприводов // Путь и путевое хозяйство. 2000. № 3. С. 34-35.

УДК 621.771

C. А. Завдес, Л. Г. Климова, С. А. Пронькина

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ ПРИ ОХВАТЫВАЮЩЕМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

Калиброванный металл является эффективным видом заготовок в технологии машинострое-ния. Его используют при изготовлении, например, рабочих и трансмиссионных валов артезианских турбинных насосов, валов и осей для зерноуборочных комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Механической обработке при этом подвергаются лишь небольшие поверхности заготовок. Автоматная сталь (А12, АС 14 и др.) специально предназначена для изготовления деталей на станках-автоматах и автоматических линиях.

Более широкому использованию холоднотянутого металла в промышленности препятствует нестабильность его формы, проявляющаяся в ввде

искривления на всех этапах технологического процесса изготовления, сборки, транспортировки и хранении изделий Известны случаи растрескивания латунных и стальных прутков при калиб-ровке и механической обработке (рис. 1).

Основной причиной таких и подобных дефек-тов являются технологические остаточные напряжения, которые формируются в процессе холод -ного деформирования и распределяются по всему объему заготовки Значительное влияние остаточные напряжения оказывают на искривление деталей при механической обработке. Например, при фрезеровании продольных шлицев или шпоноч-ных канавок напряжения освобождаются только с

одной стороны вала и распределяются несимметрично. Это приводит к значительному перекосу шпоночной канавки и искривлению вала [1]. Поэтому с точки зрения точности обработки образование остаточных напряжений является, в принципе , отрицательным фактором. Это относится в равной мере как к растягивающим, так и к сжимающим напряжениям.

В теории пластического деформирования ме-таллов известно, что, если создать в материале напряженное состояние, соответствующее пределу текучести, то имеющиеся упругие несовершенства устраняются и остаточные напряжения снимаются. В производственных условиях для формирования в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия используются методы поверхностного пла-стического деформирования (обкатка шариками, роликами, дисками, алмазами и др.).

Однако размеры деталей при обработке поверхностным пластическим деформированием изменяются незначительно. С повышением величины натяга уменьшается шероховатость поверхности, но до определенного предела, за которым начинается схватывание, перенаклеп и шелушение металла [1]. При упрочнении длинномерных маложестких валов и тонкостенных цилиндров возникают деформации и прогибы, для предот-

вращения которых приходится жертвовать произ-водигельностью технологического процесса.

Ряд указанных проблем можно успешно ре -шигь, если вместо локальных методов упрочнения применять охватывающее деформирование. Для реализации метода необходим рабочий инструмент в виде жесткой матрицы, через который продавливают или протягивают заготовку. К пре-имуществам охватывающего деформирования по сравнению с локальным следует отнести [2] высокую производительность (в десятки раз выше), большую глубину упрочненного слоя (вплоть до оси), низкую шероховатость (соответствует отде -лочным процессам), широкие возможности изме-нения поперечных размеров (в 20-50 раз выше, чем при локальных процессах). Одна из причин редкого использования охватывающего деформирования в машиностроении заключена в отсутствии эффективных способов регулирования возникающих остаточных напряжений. Рассмотрим возможность активного изменения их в основном технологическом процессе.

Для определения осевых <7 2, тангенциальных

оф и радиальных стг остаточных напряжений в

осесимметричных телах более полную и надежную информацию дает метод обтачивания и растачивания цилиндрических образцов [3]. Сплошной циливдр длиной не менее трех диаметров вначале рассверливается, а затем послойш растачивается. После удаления очередного концентрического слоя металла определяются геометрические изменения длины и наружного диаметра ци-ливдра. На втором этапе обработки удаляются наружные слои металла путем тонкого обтачивания или стравливания с последующим измерением внутреннего диаметра и длины образца. Далее определяются относительные осевые и тангенциальные деформации по сечению циливдра, а затем вычисляются компоненты тензора остаточных напряжений [3]:

Рис. 1. Дефекты изделий, изготовленных из калиброванного металла: а - раскрытие конца прутка при выходе из матрицы; б - трещина на конце заготовки после холодного деформирования; в - искажение формы заготовки при фрезеровании продольного паза; г - трещина на поверхности детали после обработке резанием на станке-автомате

ст - ■

1 -V2

Г • /§■-(1 - / )в аг

/ •в,

(1)

А - А,

Е -

2А ’

I

модуль упругости материала при растяжении,

сжатии; V - коэффициент Пуассона; А - площадь поперечного сечения сплошного циливдра; Аі - площадь поперечного сечения удаленной части циливдра; є2, - относительные осевые

и тангенциальные деформации циливдра при удалении концентрических слоев материала; г -текущий радиус циливдра.

Для определения остаточных напряжений образец или деталь приходится безвозвратно разрушать, но для изделий массового производ-ства или заготовок из проката это не является большой проблемой Рассмотрим некоторые результаты экспериментального определения остаточных напряжений при охватывающем деформировании цилиндрических прутков (й = 36 мм) из автоматной стали АС 14.

Основными технологическими параметрами процесса охватывающего деформирования являют-

ся: степень относигельшго обжатия Q, угол конуса рабочей зоны 2а и длина Ьк цилиндрической зоны инструмента, скорость деформирования - V, предел прочности ст„ деформированного металла, диаметр заготовки - О. Причем изменяются эти параметры в следующих пределах: Q = 0...30 и более процентов за один проход, 2а = 3...30 град, Ьк = (0,2...2,0)й, где й - диаметр циливдрической зоны инструмента, V =0,1...30,0 м/мин и более, аи = 100...500 МПа и более, О = 10...80 мм.

Степень относительного обжатия

В практике бытует мнение, что с увеличением степени упрочнения остаточные напряжения воз -растают. Однако такое представление является несколько упрощенным. Во-первых, если выразить тензор напряжений через главные напряжения, то при отсутствии деформации кручения их будет три ввда - осевые, радиальные и танге нциаль-ву.МЛа. ные Экспериментально

установлено [4], что с увеличением степени деформации возрастают радиальные и тангенциальные напряжения, а осевые снижаются (рис. 2). Так, при увеличении обжатия от 5 до 35% танге нциальные остаточные напряжения растяжения возрастают в 2,5 раза, а осевые уменьшаются на 10-15%.

Во-вторых, при охватывающем упрочнении с весьма малыми обжатиями характер распределения напряжений по сравнению с характером напряжений после больших деформа -ций меняется на противоположный [4]. Так, экспериментально установлено, что при деформировании стальных прутков повторным обжатием величиной 0,3% максимальные тангенциальные напряжения растяжения снизились в три, а осевые в два раза (рис. 3). Более того, остаточные напряжения растя -жения в поверхностных слоях преобразовались в

тангенциальных остаточных напряжении

ни

1№

о

-1М)

-изо

-300

-4Й0

о) ) ґ'

-г У

V/ % / ь Г~1

/ ( 1 - - І \ / € ч \

> 3 / 3

У

б^МЛй г 01 1№

5

'190

-гоо

-зло

-ІОО

о1 16 о* о о.г им оз

Рис. 3. Распределение тангенциальных и осевых остаточных напряжений при деформировании прутков с основным и дополнительным малым обжатием:

1 - 0=15%; 2 - 0=15%, 0ДОП= 0,6%; 3 - 0=15%, О доп=0,3%

напряжения сжатия. При обжатиях меньше и больше 0,3% (до 0,6-0,8%) остаточные напряже-ния тоже существенно снижаются, но без изменения характера распределения.

Для повышения производительности труда дополнительное обжатие можно совмещать с основным , используя сборные сдвоенные матрицы. Экспериментально установлено, что деформирование через сборные матрицы сказывается более существенно на снижении остаточных напряжений. Так, при раздельной обработке максимальные значения танге нциальных напряжений растя -жения снизились с 250 до 90 МПа, а осевых - с 210 до 100 Мпа. При использовании сборного инструмента тангенциальные растягивающие напряжения в поверхностных слоях преобразова-лись в напряжения сжатия (200 МПа) [4].

Угол конуса рабочей зоны матрицы

Экспериментально установлено, что угол конуса рабочей зоны в диапазоне от 8 до 24 град не влияет на характер распределения остаточных напряжений в калиброванных прутках, но существенно сказывается на их величине. Так, при использовании матрицы с углом 2а = 24° (обжатие 4%) максимальные осевые напряжения достигают 350 МПа (см. рис. 2), а при 2а = 8° - 150 МПа.

Установлено также, что рабочий угол оказывает на осевые остаточные напряжения больше влияние, чем на тангенциаль-ные. Например, при изменении 2а от 8 до 24° максимальные осевые напряжения растяжения возрастают в 2,3 раза, а тангенциальные - в 1,16 раза. Выявлено также и значение оптимального угла инст-руменга (2а = 8°), при котором формируют -ся минимальные по величине остаточные напряжения.

Длина калибрующей зоны матрицы

Основное назначение калибрующей зоны инструмента - обеспечение стабильности диаметрального размера. Обычно длина этой зоны составляет 0,1-0,2 калибрующего диаметра. С использованием метода планирования экспериментов получены уравне-ния регрессии для максимальных значений осевых и тангенциальных остаточных на -пряжений (2а = 24°, V = 100 мм/мин)

)= 245- 0^ -5,54 - 25Q4 ;

% тах)= 257,5 + 57^ --52,54 - 12^4. (2)

Как видно из полученных результатов, с уве-личением длины калибрующей зоны инструмента компоненты тензора остаточных напряжений снижаются. Причем влияние Lk соизмеримо с

влиянием Q и даже выше (для CTz^max^). Однофакторные эксперименты подтвердили полученные результаты. Так, приLk/ d = 0,08 max^ = 360 МПа,

а при Lk / d = 0,49 а, ч = 145 МПа.

“ л ’ zl max J

С учетом того, что компоненты тензора оста -точных напряжений снижаются как от уменьшения угла рабочего конуса матрицы, так и от увеличения длины калибрующей зоны, были поставлены контрольные опыты для выявления эффекта от одновременного действия обоих факторов. Предположение о получении положительного результата подтвердилось: максимальное значение, например, осевых остаточных напряжений уменьшилось в семь раз.

Влияние на величину остаточных напряжений растяжения скорости деформирования V, предела прочности материала О0/о, диаметра d и длины калибрующей зоны инструмента Lk отражено на рис. 4 в виде поправочных коэффициентов, кото-

Рис. 4. Изменение поправочных коэффициентов в зависимости от относительной длины калибрующей зоны инструмента I = Ьк/ё (а), скорости деформирования V(б), предела прочности материала (в), диаметра заготовки й (г)

рые представляют собой отношение соответствующих напряжений к некоторому “номинальному” значению, которое получено при деформировании прутков из стали А12 диаметром 36 мм с параметрами: V =0,001 м/с, Ьк / ё=0 [4].

После обработки эксперименгальных данных получены эмпирические зависимости для определения максимальных значений осевых и тангенциальных остаточных напряжений:

^1ах = 5,11ехр [0,092а-1,49 (4/ё) +0,03аи -0,014Q• ехр(-0,038а)]х х [1,43 - 0,43 ехр (-0,063V)] х х[1 - ехр (-0,056ё)] ;

2,39

(3)

^шах

= 0,42Q • • • 1п

хехр (0,03сти - 0,47 (4/ё)2'2 х[1,16 - 0,16 ехр (-0,09V )]х

0,03 ( 2а)4,4

х[1 - ехр (-0,056ё)] .

(4)

Для удобства пользования этими формулами и более наглядного представления о влиянии того или иного фактора на величину остаточных напряжений построены номограммы [4]. Если, на -пример, появляются рекламации на повышенную склонность изделий из калиброванной стали к из -носу, коррозии, растрескиванию или искривлению , то по номограммам можно быстро опреде-лить величину остаточных напряжений и оценить их возможное влияние на обнаруженные дефекты.

Таким образом, технические проблемы, вызываемые технологическими остаточными напряжениями растяжения при холодном деформировании металлоизделий, могут быть успешно решены. Остаточные напряжения можно существенно уменьшить, полностью снять или даже изменить характер их распределения в объеме заготовки только за счет рационального назначения параметров и режимов обработки основного технологического процесса охватывающего деформирования.

1.

2.

3.

4.

Библиографический список

Пшибыльский В. Технология поверхностной пластической обработки: Пер. с пол.. М.: Металлургия, 1991. 477 с.

Зайдес С.А. Прогрессивные методы обработки металлов давлением в машиностроении // Вестник ИрГТУ. 1997. № 1.

С. 80-85.

БиргерИ.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск, 1992. 200 с.

УДК 621.86

Ф. Г. Ибрагимов, А. В. Коковихин, Л. Е. Кавдауров

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ОБЛИЦОВОЧНОЙ ПЛАНКИ ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ УДАРЕ

Для защиты станин рабочих клетей от износа, на внутренних поверхностях стоек станин предусматривают установку облицовочных планок.

В момент захвата полосы валками под действием горизонтальной составляющей усилия прокатки происходит взаимодействие подушек с облицовочными планками, вызывающее появление распределенной нагрузки на поверхности планки.

Методика определения результирующих напряжений в зоне контакта поверхностей облицовочных планок и подушек станин прокатных клетей описана в работе [1]. Расчет напряжений в любой точке облицовочной планки осуществляется по формуле:

Р РгХргХ ¥гХргХ

о =-----------------------------

£ Зг Мх

(1)

Влияние ударно приложенной нагрузки сказывается двояко по сравнению со статической: с одной стороны, хрупкие и пластичные материалы различно реагируют на ударное действие нагрузок; с другой стороны, напряжения оказываются другими, чем при статических нагрузках [2]. При динамическом действии нагрузок напряжения обычно будут большими, чем при статическом действии тех же нагрузок.

Отношение напряжения <7д, вызванного динамическим действием нагрузки, к напряже-нию <Г, вызванному статическим действием той