Температура в контактной зоне при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ns 2 2006

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самсонов Г В., К о в т у н В. И. Механизм трения и изнашивания металлов // Физико-химическая механика материалов. — № 3, — 1975. — С. 38—41.

2. Оценка сопротивляемости схватыванию различных сплавов / H.A. Буше, K.M. Раков, В.Я. Берент и др, // Вестник машиностроения. — № 4. — 1974. — С. 39—41.

3. АлгиновВ. М., Марков А. А. К вопросу полуэмпирического определения поверхностной энергии твердых металлов и сплавов. Сб.: Поверхностные явления в расплавах. — Киев: Наукова думка, 1968. — С. 488.

4. К у н и н Л. J1, Поверхностные явления в металлах. — М.: Металлургиздат, 1955. — 492 с.

5. К а щ е е в В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. — М.: Машиностроение, 1978. — 214с.

6. Кипарисов С. С., Л е в и н с к и й Ю. В. Азотирование тугоплавких металлов. — М.: Металлургия,

1978. — 160 с.

7. Б о к ш т е й н Б. С. Диффузия в металлах. — М.: Металлургия, 1978. — 248 с.

8. К ов а л е в А. П. Кинетика и основные закономерности газонасыщения титановых сплавов / Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. — Вып. 4 (76 ). — М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 2001. — С. 335—339.

620.10

ТЕМПЕРАТУРА В КОНТАКТНОЙ ЗОНЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ

ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Канд. техн. наук ЯН. О ТЕНИЙ

Рассматривается влияние всех составляющих, определяющих изменение температур в контактной зоне при пластическом деформировании.

Решается задача учета таких составляющих.

Question of Influence of ail components defining modification of températures in a contact zone at plastic deforming is examined.

The probîem of counting ail these components is solved.

Тепловые процессы при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) роликами могут существенно повлиять на качество поверхностного слоя. Однако это будет происходить тогда, когда тепловое воздействие на контакт между роликом и деталью превысит определенный предел, при котором начнут возникать фазовые и структурные изменения в поверхностном слое. Существуют различные мнения о значениях температур, возникающих в контактной зоне при обработке ППД. Температура зависит от многих факторов: усилия деформирования, формы и размеров контактной зоны, скорости деформирования, проскальзывания, формы и размеров деформирующих роликов, характера и количества подводимой смазы-вающе-охлаждающей технологической среды. Учет всех составляющих на температуру в контактной зоне представляет собой сложную математическую задачу. Одним из путей ее решения является установление мощности тепловыделения через кинематику точек деформируемой поверхности с последующей связью кинематики с деформациями и напряжениями в контакте.

Будем предполагать, что: контактная зона представляет собой полосовой источник с геометрическими размерами, равными произведению полуширины контакта zk на длину контактной зоны Lk; почти вся расходуемая при упруго-пластическом деформирова-

№ 2

2006

нии мощность превращается в тепло; поверхность детали является адиабатической, т. е. все тепло распространяется в тело детали. При этих предположениях, очевидно, достигается максимально возможная температура на площади контакта. При тепловых расчетах будем использовать положения метода источников теплоты, приведенные в [1]. Количество теплоты, выделяемое в контактной зоне в единицу времени, можно разложить на две составляющие

& = йы + £

кс! >

(1)

где ()ы— теплота, выделяемая при деформировании поверхности детали; <2тр — теплота, выделяемая при проскальзывании ролика.

Количество тепла при пластическом деформировании (первая составляющая в формуле (1)) численно равно мощности, затрачиваемой на деформирование. Представим мощ-

ность деформирования элементарного участка поверхности контакта в виде

¿<2ы

(2)

где V. — скорость перемещения элементарной площадки в пределах контакта; ст. — напряжение, действующее на этой площадке. Определим сомножители в (2).

Выберем на поверхности контакта точку М в произвольном сечении, перпендикулярном оси деформирующего ролика и расположенном в пределах контакта (рис. 1). Проведем в эту точку радиусы-векторы гр и р^, выходящие из центров сечения деформирующего ролика и детали.

На основе этой схемы приращение радиуса-вектора р£1 при качении ролика по поверхности детали получено в виде

Ар

Я

и

Ъ + г,

К)

2 Л. г2

2(Я

«+ГР

А.)г. соеф

р '

(3)

Деталь

Рис.]. Схема для определения кинематики точек деформируемой поверхности без учета проскальзывания

№2

2006

где Я

радиус обрабатываемой детали; г — радиус деформирующего ролика; К

глубина

(I X-----1-----------------^ ? ■ р г-^—^-^-г-г г .....- X"-------' ■ 'Р

внедрения ролика в поверхность детали; <р— изменение угла контакта по его полуи 11 ¡рине.

созф

г

\2

-I

\

у

;(0

Фр= Ф*)>

(4)

где ф4

максимальным угол контакта.

Относительная деформация радиуса-вектора р, равна первой производной от теку-

щей координаты полуширины контакта г

Е,

I

(5)

где принято обозначение Э = Я, + гр -Л„. Скорость перемещения той же площадки в за-

висимости от угла со равна

со £>(г*-г)г

Р

(б)

с1

где со

угловая скорость вращения ролика.

(5вязь деформаций с напряжениями во

рочнения в виде [2, 3]

многих случаях определяют из кривой уп-

а. = Агт

I * / 5

(7)

где А и т — постоянные коэффициенты, зависящие от механических свойств обрабатываемого материала.

Выбрав на кривой упрочнения три точки, которые соответствуют началу координат, пределу текучести и пределу временного сопротивления обрабатываемого металла, численные значения которых известны из экспериментальных данных, можно составить си-

стему из двух уравнений

СТгр — /кбу

т

С* = ¿е.

т

(В) (9)

где от, св, £х, ев — предел текучести, предел временного сопротивления, а также деформации, соответствующие пределу текучести и пределу временного сопротивления.

Совместное решение этих уравнений позволяет найти постоянные коэффициенты в (6)

1п

т

а

в

1п

/ \

8

\

>

1—1И

Т

(Ю)

в /

Количество тепла, выделяемое в единицу времени, при поверхностном деформировании детали цилиндрическим роликом будет равна

№2

2006

а.

ы

сч

Асо и

г \г

г.

\

У -

О(^-г)

йг -

г

(И)

V

Полученное значение количества теплоты распределяется на части площади поверхности детали, равной длине пути проходимой роликом в единицу времени, умноженной на длину контакта

5 Р= VрЬ к= ®Ргр1<к 9

(12)

где у — скорость качения ролика по детали.

Количество контактов, которые могут быть размещены на этой площади, равно

V

п

р

к

гь

0) г

р р

г и

(13)

Следовательно, количество теплоты, приходящееся на площадь, занимаемую одним

контактом, составит

п

(¿ы

со г

р р

(14)

Удельное тепловыделение в контакте с учетом предыдущих формул будет равно

Як

а

к 1

а

кс1

1

5. '

(15)

где 1к — время прохождения роликом ширины контакта; — площадь контакта, равная произведению длины контакта на его полуширину.

При обработке деталей накатыванием роликами источник тепловыделения является быстродвижущимся, оценку этого факта проводят с помощью безразмерного критерия Пекле

Ре

V*

со

(16)

о

где ш0

коэффициент

источник. Если Ре > 10, то источник относят к быстродвижущимся [1]. Расчеты показывают, что коэффициент Пекле при обработке ППД находится в пределах 400.. .750.

Вследствие высокой скорости движения время соприкасания источника с элементом поверхности, равным ширине контакта, столь мало, что во всех точках контакта температуру можно считать одинаковой, а источник — двумерным мгновенным и полосовым. Поэтому с учетом приведенных выше формул максимальное значение температуры

в площади контакта можно вычислить по формуле [1].

№2

2006

9= , (17)

Хл/тсл/Ре

где Л, — коэффициент теплопроводности обрабатываемого металла.

Из графиков (рис. 2), построенных на основе расчетов с помощью ПЭВМ, видно, что температура повышается с увеличением скорости перемещения ролика. Температура также зависит от радиуса деформирующего ролика: меньшему значению радиуса ролика соответствует меньшее количество тепла, выделяемого в контактной зоне при одной и той же глубине внедрения ролика. Это объясняется тем, что одновременно уменьшается усилие деформирования и площадь контакта при одной и той же глубине внедрения ролика в поверхность детали, соответственно уменьшается и удельное количество теплоты, приходящейся на единичный контакт.

& 124

108

92

76

60

Оы.КВг

950 П,МИН

тутг

Гр,ММ

а)

б)

в)

Рис. 2. Температура на поверхности контакта между деформирующим роликом и обрабатываемой поверхностью (а) (в зависимости от частоты вращения ролика), мощность тепловыделения в зависимости от частоты

вращения ролика (б),усилие деформирования от радиуса ролика (в), Ъ ~ 0,25 мм; I ^¡0 мм

Максимальное значение температуры при рассмотренных условиях деформирования не превышает 130 °С. Это ниже критического уровня температуры, при котором могут происходить существенные изменения в поверхностном слое детали. Кроме того, в процессе обработки применяют интенсивное охлаждение.

Вторую составляющую в уравнении определить значительно сложнее, так как до настоящего времени не установлены закономерности формирования проскальзывания ролика.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Резников А. Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. — М.: Машиностроение , 1990.— 288 с.

2. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. — М.: Машиностроение, 2002. —С. 299.

3. К р о х а В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. — М.: Машиностроение, 1980. — 157 с.