Определение условий поперечной обкатки при поверхностном пластическом деформировании

УДК 621.787.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ОБКАТКИ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

© Фам Дак Фыонг1, С.А. Зайдес2, Нгуен Ван Хуан3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Для деформационного упрочнения деталей типа осей, пальцев, втулок предложен способ поверхностного пластического деформирования, основанный на обкатке заготовки плоскими плитами. Способ позволяет обрабатывать детали, которые не имеют центровых отверстий. При поперечной обкатке исключается также изгиб заготовки от действия поперечных сил нагружения. Получены аналитические зависимости для определения предельно возможных при поперечной обкатке ширины площадки контакта и относительного обжатия. Ключевые слова: поперечная обкатка; относительное обжатие; контактная площадка; заготовка; коэффициент трения.

DETERMINATION OF TRANSVERSE BURNISHING CONDITIONS UNDER SURFACE PLASTIC DEFORMATION Pham Dac Phuong, S.A. Zaides, Nguyen Van Huan

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

A method of surface plastic deformation based on work piece burnishing with flat plates is proposed for mechanical hardening of axles, fingers, bushings etc. The method allows to machine parts that do not have center holes. Transverse burnishing also eliminates the work piece bend caused by the action of shear loading forces. The paper obtains analytical dependences for the determination of the maximum possible contact area width and percentage reduction under transverse burnishing.

Keywords: transverse burnishing; percentage reduction; contact area; work piece; coefficient of friction.

Решающую роль в обеспечении высокой надежности практически любой детали играют ее поверхностные и подповерхностные слои, являющиеся по условиям работы наиболее нагруженными и потому самыми ответственными элементами. В этих слоях сосредоточено наибольшее количество дефектов, и именно там во время эксплуатации зарождаются и развиваются микротрещины, наиболее интенсивно протекают процессы разупрочнения, изнашивания, отслаивания, окисления и т.п., происходит перераспределение остаточных напряжений, что негативно сказывается на работоспособности деталей и узлов машин [1, 2].

Хорошо известно [1-3], что применение поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяет эффективно влиять на эксплуатационную надежность и долговечность широкой номенклатуры деталей машин, работающих в условиях циклических нагрузок, трения и воздействия коррозионных сред и имеющих концентраторы напряжений, места посадок с гарантированным натягом. В процессе ППД поверхностный слой претерпевает качественные изменения: сглаживаются микронеровности, повышаются твердость и прочность, образуются остаточные напряжения сжатия, которые оказывают доминирующее влияние на циклическую прочность деталей.

Проблемы, возникающие при осуществлении операций поверхностного пластического деформирования, относятся в основном к области технологии, в частности, к поиску наиболее рациональных и высокопроизводительных способов деформирования и к созданию устройств для их реализации. Особая роль при этом отводится режимам обработки, так как от их правильного назначения зависит не только качество поверхности, но и максимальное использование резервов физического упрочнения материала деталей.

При обработке деталей типа дисков, тонких осей и валиков возможности обычных методов упрочнения (обработка шариком, роликом) исчерпаны из-за невозможности закрепления заготовок для обработки. Для упрочнения деталей указанного типа необходим способ, не требующий осевого закрепления и исключающий изгиб от поперечной нагрузки. В технологии обработки металлов давлением известен способ накатки резьбы на станках поперечной прокатки.

Метод поперечной прокатки успешно применяют при обработке металлов давлением. Это объясняется как его технологическими достоинствами, так и значительной эффективностью обработки [4, 5]. Плоскопрокатные станы обладают рядом преимуществ: простота изготовления и низкая стоимость плоского ин-

1Фам Дак Фыонг, аспирант, tel.: 89247099250, e-mail: dacphuong.ru88@gmail.com Pham Dac Phuong, Postgraduate, tel.: 89247099250, e-mail: dacphuong.ru88@gmail.com

2Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, email: zsa@istu.edu

Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405119, e-mail: zsa@istu.edu

3Нгуен Ван Хуан, аспирант, тел.: 89500840256, e-mail: nguyenvanhuan.istu@gmail.com Nguyen Van Huan, Postgraduate, tel.: 89500840256, e-mail: nguyenvanhuan.istu @ gmail.com

струмента, изготавливаемого на универсальных фрезерных и шлифовальных станках; отсутствие необходимости в направляющем инструменте; стабильное положение детали на плоскости инструмента; высокая стойкость плоского инструмента (до 500 000 деталей); полная автоматизация процесса; высокая точность размеров (0,01...0,5 мм) прокатываемых деталей. Поэтому в качестве перспективного направления рационально, на наш взгляд, использовать способ поперечной обкатки как одни из видов ППД. В связи с этим возникает необходимость углубленного изучения данного процесса, разработки общей инженерной методики, позволяющей не только прогнозировать оптимальный выбор основных параметров режимов обработки, но и осуществлять целенаправленное управление этими параметрами.

В представленной статье изложены результаты определения геометрии заготовки и параметров поперечной обкатки (ширина площадки контакта, изменение диаметра заготовки, величина относительного обжатия).

Определение ширины зоны контакта заготовки с плитами

Выведем зависимости для определения ширины контакта заготовки с плитами при поперечной обкатке на гладкой плите. Эти зависимости понадобятся для оценки предельно возможных при поперечной обкатке ширины контактной площадки и обжатия. Размеры контактной площадки необходимо знать также и для определения усилий, возникающих при обкатке.

На рис. 1 изображена схема процесса поперечной обкатки в плоскопрокатном стане. Как видно из рисунка, ось вращения обкатываемого цилиндрического

тела перпендикулярна направлению движения верхней плиты. Расстояние между плитами меньше исходного диаметра цилиндра на величину 2г, за счет этого диаметр тела уменьшается.

Из рис. 1 видно, что уменьшение радиуса заготовки равно:

= R-JR2- b2,

где R - радиус исходного цилиндра; Ь - ширина площадки контакта.

Это уравнение можно написать в ином виде:

z = й(1- .11-

Величины - всегда значительно меньше единицы. Воспользовавшись разложением в ряд и отбросив все члены ряда, начиная с третьего, получим:

'-еьче

Следовательно, приходим к следующему приближенному уравнению:

или

отсюда

z = -

1 ь2

b = J2Rz.

Рис. 1. Схема обжатия цилиндра при поперечной обкатке: 1 - подвижная плита; 2 - заготовка; 3 - неподвижная плита

z

2

b

R

2

2 R

Поставим в последнее уравнение Р = - + г , где с1 - радиус обкатываемого цилиндра, и получим следующее выражение для определения ширины площадки соприкосновения заготовки с плитами при поперечной обкатке:

Ь = ^гй + 2г2.

Из опытов известно, что действительная ширина площадки контакта несколько больше, чем вычисленная по приведенной выше формуле. Это объясняется тем, что в процессе обкатки заготовка приобретает овальность, вызванную тангенциальной раскаткой периферийных слоев, которая при выводе формулы (2) во внимание не принималась.

Для того чтобы учесть указанное различие между теоретической и действительной шириной контактной площадки, введем в формулу поправочный коэффициент у, больший единицы. Тогда она будет иметь

вид: _

Ь = У^гй + 2г2.

Предельная ширина площадки соприкосновения заготовки и плит

Со стороны каждой из плит к заготовке приложены усилия, которые направлены нормально к контактной площадке. Равнодействующую этих усилий Р будем считать приложенной в середине отрезка, соответствующего плоскости соприкосновения заготовки с плитами. Нормальные усилия вызывают появление на площадке контакта заготовки с плитами сил трения, равнодействующую которых обозначим через F. Силы трения F приложены в тех же точках, что и нормальные усилия Р, и направлены по касательным к площадки контакта (рис. 1).

Силы трения Р, приложенные со стороны плит к заготовке, образуют крутящий момент 1М = Р-С, который вызывает вращение заготовки.

В этом равенстве F = Р • ^ , где ^ - коэффициент трения о поверхность обкатываемой заготовки.

Нормальные усилия Р создают крутящий момент М2 = Р •Ь, направленный в сторону, противоположную направлению вращения заготовки.

При захвате в момент поворота заготовки, по С.П. Грановскому [6], должно быть выдержано условие

д

М,-Мп=М

где М . - динамический момент, д

М , = д я-2

где С - масса заготовки, кг; г0 - радиус заготовки, м;

д - ускорение силы тяжести в

ш - угловая ско-

рость заготовки при установившемся движении в —; t - время захвата в сек.

Поскольку масса заготовки и угловая скорость небольшие, динамическим моментом можно пренебречь.

Для осуществления установившегося процесса поперечной обкатки необходимо соблюдение соотношения

или

откуда

М1 > М2,

P^^d. > P^b,

И>7 .

При увеличении обжатия заготовки возрастает ширина контактной площадки, что приводит к увеличению плеча Ь при одновременном уменьшении плеча d. Таким образом, с ростом обжатия правая часть неравенства (5) возрастает. При достаточно большой величине обжатия неравенство (5) перестает выполняться. В таком случае протекание нормального процесса поперечной обкатки становится невозможным, вращение заготовки прекращается и наблюдается ее проскальзывание или торможение в плитах.

Воспользуемся соотношением (5) для определения предельной ширины площадки соприкосновения заготовки с плитами, при которой начинается проскальзывание заготовки в плитах. Вращение заготовки в плитах прекращается в том случае, когда

= М2,

т.е. Р • р. - <1 = Р • Ьо, отсюда

Ьо=^-й,

где Ьо - предельная ширина.

Для осуществления нормального процесса обкатки необходимо строить процесс таким образом, чтобы ширина площадки контакта Ь была меньше произведения приведенного равенства.

Предельное обжатие при поперечной обкатке

Для определения предельного обжатия за один оборот заготовки при поперечной обкатке воспользуемся формулой (2). Возводя обе части равенства в квадрат, получаем:

Ь2 = гй + 2г2.

После простых преобразований приходим к следующему квадратному уравнению относительно г:

г2+1г-Ь1 = 0.

22

Из этого уравнения

d . d2 ь2 Zi 2 = -7± .1— + —.

Вынося из-под радикала первый член, получаем:

d . d

zi2= -~±~ 12 4 4

b

1 + 8

Zi

Отношение - значительно меньше единицы. Отсюда следует, что дробь, стоящая под радикалом, меньше единицы. На этом основании равенство (7) приближенно мсжно написать в следующем виде:

Исследование этих двух решений показывает, что корнем уравнения, имеющим физический смысл, является

ч=-НИШ

После простых преобразований получаем, что

- Ъ1 2 = а.

При критическом случае получено равенство Ь = р - й.

2

ь

d

1

2

Подставляя это выражение в предыдущее, имеем:

г = *^ = ,ц2.й.

По равенству (8) можно определить максимальную величину относительного обжатия заготовки в плитах в зависимости от коэффициента трения.

Относительное обжатие при обкатке определяется по формуле

С = • 100%,

* о2

где D - диаметр заготовки.

Эту формулу можно написать в следующем виде:

у = (1 - ё)2)  100%.

При критическом случае исходный диаметр цилиндра О можно выразить через конечный диаметр б: й = й + 2г = й + 2^2 • й = (1 + Тогда получим предельное значение 0:

в =(1- Ш2) •100%.

Значение коэффициента трения для пары сталь -сталь при холодной обкатке находится в пределях от 0,03 до 0,15 [5]. По формулам (8) и (9) построены кривые зависимости предельного обжатия (рис. 2) и предельного отностительного обжатия (рис. 3) от коэффициента трения.

Графики показывают, что с уменьшением коэффициента трения предельное обжатие заготовки уменьшается. При этом коэффициент трения оказывает большое влияние на величину предельного обжатия. Для осуществления нормального процесса поперечной обкатки необходимо строить процесс таким образом, чтобы значение относительного обжатия Q всегда было меньше предельного. Все методы обработки ППД проводятся с относительным обжатием около 1%, что означает: если значение коэффициента трения ц больше 0,05, то процесс поперечной обкатки обязательно происходит.

Рис. 2. Зависимость предельного абсолютного обжатия от коэффициента трения для цилиндра с диаметром 10 мм

Рис. 3. Зависимость предельного относительного обжатия от коэффициента трения

Итак, можно сделать следующий вывод: 1. Для пластического упрочнения цилиндрических деталей типа осей, пальцев, втулок предложена схема поверхностного пластического деформирования, исключающая закрепление заготовок. Обработка происходит за счет вращения заготовки между плоскими плитами.

2. Определена ширина контакта заготовки с плоскими плитами, зависящая от степени обжатия и диаметра детали. Предельная ширина площадки контакта зависит и от коэффициента трения между заготовкой и плоскими плитами.

3. Получено аналитическое выражение для предельного обжатия заготовки при поперечной обкатке.

Статья поступила 4.02.2015 г.

1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

2. Зайдес С.А. Технологическое управление остаточными напряжениями при охватывающем деформировании // Вестник ИрГТУ. 1998. № 3. С. 92-97.

3. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин Г.В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 404 с.

ский список

4. Щукин В.Я. Поперечно-клиновая прокатка в машиностроении // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития: сб. науч. Трудов / под ред.

B.А. Струка, В.И. Кравченко. Гродно: УО ГГАУ, 2008.

C. 195-207.

5. Щукин В.Я. Основы поперечно-клиновой прокатки. Мн.: Наука и техника, 1986. 223 с.

6. Смирнов В.С. и др. Поперечная прокатка в машиностроении. М.-Л.: МАШГИЗ, 1957. 376 с.