Экспериментальные исследования изменения состояния материала при различных схемах виброволнового нагружения

УДК: 621.787.6

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ВИБРОВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ

А.П. Бабичев, Д. Д. Бирюков, П. Д. Мотренко

Представлены результаты исследований изменения состояния материала на примере имитационной модели корпусной детали при различных схемах виброволнового нагружения. При проведении эксперимента использовались образцы из алюминиевых и стальных сплавов. После каждой схемы виброволнового нагружения с помощью микротвердомера ПМТ-3 производилось измерение микротвёрдости образцов. Представленные результаты исследований показывают, что от ударного и волнового воздействия при различных схемах виброволнового нагружения происходит существенное изменение состояния материала на поверхности образцов как подвергаемых прямому воздействию инструмента (среды), так и не подвергаемых такому воздействию.

Ключевые слова: Виброволновое нагружение, виброударное воздействие, многоконтактный инструмент упругопластическая деформация.

Виброволновые процессы и явления в технологии металлообработки представляют особый интерес и находят широкое применение в физике деформационных процессов. Ударно-волновое воздействие рассматривается как взрывное воздействие (явление) на обрабатываемый материал, сопровождаемое выделением энергии с высокой скоростью в ограниченном объёме [1] и внезапным изменением структурного и фазового состояния вещества (материала). Основными параметрами, характеризующими ударную волну, являются максимальное давление Рмакс, время воздействия t и импульс S:

S = £ P(t )dt.

По мере удаления от источника ударного импульса максимальные давления и импульс уменьшаются, а время воздействия возрастает. Следует отметить, что виброударное воздействие на тела и среды различных характеристик сопровождаемое волновыми процессами может оказаться достаточно эффективным при решении широкого спектра технологических задач. В последние годы заметно возросло количество работ и соответствующих публикаций, в которых находят отражение результаты исследований распространения ударных волн в телах (деталях) и средах, образовавшихся в результате динамического воздействия (ударное, виброволновое, вибрационное воздействие, нагружение). Расширилась отраслевая ориентация исследований и их реализация в технологии машиностроения - упрочняющая и стабилизирующая обработка, моечно-очистные операции, активация процессов механохимии, образование твёрдосмазочных покры-

тий и др. [2, 3] - изделия авиакосмической техники, радиоантенные устройства, станкостроение, приборостроение, предприятия нефтяной и газодобывающей промышленности и др.

В качестве материалов деталей, подвергаемых различным видам виброволной обработки, являются чугуны и стали различных марок (характеристик), алюминиевые и магниевые сплавы, титан и его сплавы. Объектом исследований являются детали сложной формы (силовые детали летательных аппаратов, базовые детали и узлы металлообрабатывающих станков, радиоантенные устройства, сварные конструкции изделий транспортного назначения). В большинстве решаемых задач рассматриваемой проблемы стабилизации или обеспечения эксплуатационных характеристик деталей и изделий (размерная, структурная, фазовая, энергетическая стабилизация) на основе исследования релаксационных процессов, напряжённого состояния, установления (определения) условий управления параметрами волнового и виброволнового нагружения (воздействия) [2].

Целью рассматриваемого эксперимента является изучение особенностей взаимодействия волн деформаций с образцами, подвергаемыми различным схемам виброволнового нагружения и представляющих собой сборочную единицу с разъёмными соединениями в виде закрытого «корпуса» (или «коробочка») представленного на рис. 1.

Рис. 1. Сборочная единица «корпус»: 1, 2 - стенка 70х80х10; 3, 4 - стенка 60х70х10; 5, 6 - крышка 80х80х10

Представленный на рис. 1 «корпус» состоит из 4 «стенок» с размерами 60x70x10 и 70x80x10 и 2-х «крышек» с размерами 80x80x10. Сборка

«корпуса» выполнена с помощью болтовых соединений. Для проведения эксперимента были изготовлены два «корпуса» с одинаковыми габаритными размерами, но выполненными из разного материала. Материал об-

разцов - сталь 30ХГСА и алюминиевый сплав АВТ1.Буквами «Л» и «Т» обозначены соответственно лицевые (наружные) и тыльные (внутренние) стороны образцов. Технологическая схема одностороннего виброволнового нагружения модели (образца) виброволновым (виброударным) многоконтактным инструментом (ШСУ) представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема одностороннего виброволнового нагружения модели (образца) виброволновым (виброударным) многоконтактным

инструментом

Продолжительность обработки - 10, 60 и 120 с последовательно. Радиус сферы контактных поверхностей деформирующих элементов инструмента (стержней) составлял ^=2,5 мм.

Результаты изменений состояния материала (Иц) элементов «корпусной» детали (образца), представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты изменения Ир отдельных элементов корпусной детали после нагружения многоконтактным инструментом

Материал образца сек. Изменение Иц на поверхности образцов (Л-лицевая, Т-тыльная), МПа

1Л 1Т 2Л 2Т 3Л 3Т 4Л 4Т 5Л 5Т 6Л 6Т

АВТ1 10 -40,7 -86,7 -20,3 51,3 -7,4 -9,6 45,3 -76,6 2,7 -10,1 -0,7 -7,5

30ХГСА 10 -32,8 -2,4 175,6 71,5 69,7 9,8 -114 -73,8 - - -35,8 -8,4

АВТ1 60 -39,4 -62,5 -37,1 13,8 -2,3 -23,7 -0,9 -68,8 4,2 17 -23,8 -52,5

30ХГСА 60 -16,9 11,4 186,6 0,9 64,5 -15,8 106,6 -34,2 - - -42,2 -9,8

АВТ1 120 -19,5 -79,2 -69,4 -35,2 -62,8 -54 34,3 -70,6 -10,3 -0,3 -19,5 -22,3

30ХГСА 120 36,6 -45,3 83,5 -3,3 -40,8 -32,8 -149,5 -66,8 - - -186,4 -159

По результатам проведённого эксперимента одностороннего виброволнового нагружения модели (образца) виброволновым (виброударным) многоконтактным инструментом (ШСУ) отмечено:

1) в основном снижение Иц для образцов.

2) при обработке 120с преобладает снижение Иц. Лишь одно показание увеличилось для поверхности «4Л» образца из материала АВТ1.

3) существенное снижение Иц поверхности образца 6 изготовленного из материала 30ХГСА при обработке 120 с.

4) с увеличением ¿сек возрастает уровень снижения Иц.

Произведена обработка имитационной модели корпусной детали

при отсутствии контактного виброударного нагружения среды стальных шаров или ШСУ с целью выявления виброволнового воздействия. Образец (пустой) закреплён на виброплощадке (рис. 3) подвергался лишь вибрированию вместе с виброплощадкой.

Рис. 3. Схема обработки «корпуса», закреплённого на виброплощадке при отсутствии контактного виброударного нагружения

Режимы колебаний: А=2,5 мм.,/=30 Гц, ¿=10 мин. Результаты измерений представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты изменения Ир отдельных элементов корпусной детали, подвергавшихся вибрированию вместе с виброплощадкой при отсутствии контактного виброударного нагружения

Материал образца г, мин. Изменение Иц на поверхности образцов (Л-лицевая, Т-тыльная), МПа

1Л 1Т 2Л 2Т 3Л 3Т 4Л 4Т 5Л 5Т 6Л 6Т

АВТ1 10 -30,4 -14,38 29,1 -14,28 7,26 33,94 -14,28 -19,9 -4,48 21,16 -20,96 23,28

30ХГСА 10 -39,3 -21,3 113,4 8,4 -88,8 -3,6 -31,5 -32,1 - - -47,4 -64,8

По результатам эксперимента отмечено:

1) увеличенный разброс значений изменения Иц для материала АВТ1;

2) более стабильны результаты изменения Иц для стали 30ХГСА, где преобладают показатели снижения Иц.

Произведена обработка «корпуса» закреплённого на виброплощадке с заполнением внутренней полости стальными шарами на 80х90% объёма (рис. 4). Далее произведена повторная обработка с поворотом «коробочки» на 180°.

л

Рис. 4. Схема обработки «корпуса», закреплённого на виброплощадке с заполнением внутренней полости стальными шарами

Режимы обработки те же, что и при обработке «пустого образца»: t=10 мин., А=2,5 мм,/=30 Гц.

Результаты изменений Иц представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты изменения Ир отдельных элементов корпусной детали после обработки на виброплощадке с заполнением внутренней полости

«корпуса» стальными шарами

Материал образца г, мин. Изменение Иц на поверхности образцов (Л-лицевая, Т-тыльная), МПа

1Л 1Т 2Л 2Т 3Л 3Т 4Л 4Т 5Л 5Т 6Л 6Т

АВТ1 10 28,22 19,92 53,76 54,66 19,48 50,48 55,22 83,84 3,84 55,58 83,04 28,72

30ХГСА 10 108,9 43,5 32,4 58,1 132,6 -23,4 93,9 42 - - 124 214,1

После поворота «корпуса» на 180

АВТ1 10 -9,66 74,84 -25,04 1,34 22,42 20,66 5,84 -14,3 30,14 37,62 -26,9 27,24

30ХГСА 10 36,1 96,4 -48 131,8 -60 167,2 -19,5 70 - - 13,7 47,8

В отличие обработки (вибрирования) «пустой» коробочки, где отмечено преимущественно снижение Иц, при обработке с заполнением рабочей средой (стальные шары) на 80х90% объёма полости «коробочки»,

273

отмечено повышение Нц всех поверхностей (сторон образца 1, 2, 3, 4, 5, 6) в том числе «Л» и «Т», что является следствием соударения частиц среды, сопровождаемых упругопластической деформацией и взаимодействием ударных волн.

После продолжения обработки образца и поворота его на 180° отмечен разброс значений Иц в виде появления значений снижения Иц преимущественно лицевых поверхностей (Л).

С целью проверки изменений Иц при разностороннем виброволновом воздействии на корпусной образец (внутри полый - «пустой») произведена ВиО образца в свободном состоянии (без закрепления) в среде стальных шаров ^=7мм. в течение 10, 30 и 60 мин. в рабочей камере Кр.к.=40 дм3.

Схема нагружения и результаты изменений Иц представлены на рис. 5 и в табл. 4.

Рис. 5. Схема обработки «корпуса» в свободном состоянии

в среде стальных шаров

Таблица 4

Результаты изменения Ир отдельных элементов корпусной детали (имитационной модели) при обработке в среде стальных шаров

Материал образца г, мин. Изменение Иц на поверхности образцов (Л-лицевая, Т-тыльная), МПа

1Л 1Т 2Л 2Т 3Л 3Т 4Л 4Т 5Л 5Т 6Л 6Т

АВТ1 10 -19,3 18,7 13,1 -12,7 27,2 5,8 56,9 -28,3 29,1 -21,8 -0,1 -16,4

30ХГСА 10 12,6 67,9 91,3 89,7 181,3 70,8 222,9 67,2 - - 169 130,4

АВТ1 30 30,7 5,12 33,66 1,42 65,4 23,16 35,3 5,66 113,7 2,3 85,76 20,76

30ХГСА 30 48,5 62,7 164,9 93 188,3 40,8 318,5 66,2 - - 211 191,2

АВТ1 60 72,86 24,04 68,5 53,5 110,1 47,1 86,5 1,3 157,8 5,6 82,4 0,2

30ХГСА 60 53,8 120,9 145,5 126,3 226,3 52,8 326,5 140,6 - - 199 213,8

Отмечено повышение Нц всех поверхностей (сторон коробочки 1, 2, 3, 4, 5, 6) в том числе «Л» и «Т». Исключением являются результаты обработки «коробочки» из материала АВТ1 при обработке в течение 10 мин, где произошло как увеличение, так и снижение значений Нц.

Проведена обработка образца (имитация корпусной модели) с по-

3

гружением в среду стальных шаров ^=7мм, Кр.к.=40 дм .

Режимы вибрационной обработки: А=2,5мм,/=30Гц, /=30мин. Корпус (образец) - внутренняя полость - заполнена средой стальных шаров и внутрь помещены образцы-свидетели в виде призмы

10^10x25 и пластины 10x10x2,5, полость модели (коробочки) закрыта с

уплотнением торцевыми сторонами 5 и 6 (рис. 6).

Рис. 6. Схема обработки «корпуса» в среде стальных шаров и с заполненной внутренней полостью: а - призма, б - пластина

Результаты эксперимента представлены в табл. 5 и табл. 6.

Таблица 5

Результаты изменения Ир призмы и пластины при обработке в среде стальных шаров внутри «корпуса»

Материал образца мин. Изменение Нц на поверхности призмы, МПа Изменение Нц на поверхности пластины, МПа

Образец №1 Образец №2 Образец №1 Образец №2

30ХГСА 30 80,14 58,88 6,66 12,6

АВТ1 30 78,6 100,8 13,64 -13,3

Следует отметить (см. табл. 5) значительное увеличение Нц призмы по сравнению с Нц пластины. Для образцов из стали 30ХГСА отмечено повышение Нц всех сторон корпусной модели, при этом из 5-ти сторон только на 4-й стороне отмечено более интенсивное изменение Нц на поверхности «Л», чем на «Т». Наблюдается значительное повышение Нц тыльных поверхностей на сторонах 1, 2, 6 по отношению к лицевым.

275

Таблица 6

Результаты изменения Ир отдельных элементов корпусной детали (имитационной модели) при обработке в среде стальных шаров и заполненной внутренней полостью

Материал образца 1, мин. Изменение Иц на пове рхности образцов (Л-лицевая, Т-тыльная), МПа

1Л 1Т 2Л 2Т 3Л 3Т 4Л 4Т 5Л 5Т 6Л 6Т

АВТ1 30 40,7 47,86 100,8 66,7 119,1 104,5 106,06 17,2 142 65,88 150,3 72,8

30ХГСА 30 59,8 327,1 143,9 269,5 155,7 152,4 305,5 181 - - 134,6 328,4

Выводы

Выполнен комплекс экспериментальных исследований влияния различных схем виброволнового нагружения на изменение состояния материала элементов модели корпусной детали, в результате которых установлены существенные изменения от ударного и волнового воздействия.

Изменения отмечены как на контактных поверхностях с деформирующими элементами инструмента, или инструментальной среды, так и на элементах корпусной детали при отсутствии такого контакта.

Показано, что прямые и отражённые волны воздействуют на состояние материала конструктивных элементов образца, взаимодействуют на различных уровнях поперечных сечений конструктивных элементов.

При этом в зонах или точках где происходит взаимодействие прямых и отражённых волн различное число раз возникают экстремальные напряжения, уровень и характеристики которых зависят от исходного состояния материала и динамических параметров на фронте волны. Известно, что при прохождении волны могут взаимно гасить или усиливать друг друга в зависимости от пройденного состояния [1, 5].

Список литературы

1. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1984. 944 с.

2. Бабичев А.П., Бабичев И. А. Основы вибрационной технологии: монография. Изд. 2-е. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2008. 693 с.

3. Ганиев Р.Ф. Волновая технология в машиностроении // Вестник машиностроения, 1992. №11 - 12. С. 3-7.

4. Фортов В.Е. Избранные статьи и доклады. Черноголовка: ИПХФ РАН, 2005. 575 с.

5. Ахмадеев Н.Х., Нигматулин Р.И. Динамическое откольное разрушение в волнах разгрузки // Дан СССР. Т. 266. №5. 1982. С. 13311134.

Бабичев Анатолий Прокофьевич, д-р техн. наук, проф., vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Мотренко Петр Данилович, д-р техн. наук, проф., vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Бирюков Дмитрий Дмитриевич, асп., vibrotech@mail. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF CHANGE OF THE STATE OF MATERIAL ON EXAMPLE OF SIMULATION MODEL OF CABINET-TYPE DETAIL AT DIFFERENT

CHARTS OF VIBROWA VE LADENING

A.P. Babichev, P.D. Motrenko, D.D. Biryukov

The results of researches of change of the state of material are presented on the example of simulation model of cabinet-type detail at the different charts of vibrowaveladening. During the leadthrough of experiment standards were used from aluminium and steel alloys. After every chart of vibrowaveladening by Micro Durometer of PMT-3 measuring of micro-hardness of standards was produced. The presented results of researches show that from shock and wave influence at the different charts of vibrowaveladening there is a substantial change of the state of material on-the-spot standards both exposed to direct influence of instrument (working environment) and not exposed to such influence.

Key words: vibrowaveladening, vibroshock influence, wave influence, elastoplastic strains, shock wave, direct waves,reflected waves, simulation model, small box (case), prism, plate, multicontact instrument, working environment, shaker table, microhardness, facial surface, dorsum.

Babichev Anatoly Prokofyevich, doctor of technical science, professor, vibro-tech@,mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Motrenko Pyotr Danilovich, doctor of technical science, professor, vibro-tech@,mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Biryukov Dmitry Dmitriyevich, postgraduate, vibrotech@,mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University