СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF TECHNOLOGICAL RESIDUAL STRESS IN SURFACE PLASTIC DEFORMATION

Изобретение относится к области технологии машиностроения, в частности к способам автоматического контроля технологических остаточных напряжений поверхностного слоя детали, и может быть использовано при контроле стабильности процесса обработки дорнованием, например, внутренних цилиндрических поверхностей стыковых узлов крепления консолей крыла планера самолета, узлов крепления шасси и т.п.
Известно устройство (а.с. СССР 1401260, 4 G01B 7/16, 07.06.88 г.) для определения внутренних деформаций в объектах, содержащее упругий элемент с тензодатчиками и жестко связанные с противоположными сторонами упругого элемента в виде пластины контактные элементы с дугообразным сечением, обращенные к чувствительному элементу вогнутой поверхностью, причем контактные элементы расположены с постоянным шагом вдоль всего контактного элемента симметрично относительно линии связи пластины с контактным элементом.
Однако применение данного устройства затруднительно в условиях технологической обработки при движении инструмента относительно контролируемой поверхности.
В качестве прототипа принят способ автоматического контроля при раскатывании отверстий (НИАТ. Устройство для раскатывания отверстий с автоматическим контролем. Авиационная промышленность. 1983, №5, с.41), который заключается в автоматическом контроле стабильности процесса и качества обработки при упрочнении отверстий поверхностным пластическим деформированием раскатыванием путем тензометрирования величины крутящего момента на валу инструмента в процессе обработки.
Причем тензометрический датчик, устанавливаемый на упругий элемент, представляющий собой соединительное звено в кинематической цепи вал раскатника - шпиндель базового станка, и служит для преобразования упругих деформаций от действия крутящего момента в электрические сигналы на тензодатчиках. Величина крутящего момента зависит от натяга между роликами инструмента и обрабатываемым материалом.
Однако данный способ автоматического контроля не применим при поверхностном пластическом деформировании дорнованием, при котором отсутствует крутящий момент, а процесс обработки осуществляется за счет радиального воздействия деформирующих колец дорна на обрабатываемую поверхность.
Задачей предлагаемого способа является контроль технологических остаточных напряжений в процессе пластического деформирования поверхностного слоя детали дорнованием.
Технический результат - обеспечение стабильных остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании дорнованием за счет контроля радиального контактного давления в процессе обработки.
Этот технический результат достигается тем, что предложен способ, автоматического контроля технологических остаточных напряжений, включающий тензометрирование упругих деформаций, возникающих при поверхностном пластическом деформировании, причем тензометрические датчики устанавливают на разжимных втулках, сопрягаемых друг с другом по конической поверхности, которые располагают между деформирующими элементами дорна.
На чертеже показано устройство для реализации способа, которое представляет собой установленные на оправке 1 комплект разжимных втулок: наружная 2 и внутренняя 3 из материала 60С2 (HRC 62-64), сопрягаемых по коническим поверхностям и моделирующих процесс сдвигового деформирования металла в зоне обработки, которые устанавливаются между деформирующими элементами - кольцами дорна 4 и 5 (возможно установка комплекта втулок после режущего элемента). По диаметру наружной разжимной втулки 2 во взаимно перпендикулярных направлениях наклеены циакриновым клеем рабочие фольговые тензометрические датчики (например, типа 2ПКБI0-200А12) 6 для контроля радиальных остаточных напряжений и 7 для контроля окружных остаточных напряжений, а также в выфрезеровках торца втулки 2 наклеены рабочие компенсационные тензометрические датчики 8, предназначенные для контроля осевых остаточных напряжений.
Тензометрические датчики между собой соединяются по полумостовой схеме и с помощью экранированных проводов 9, проходящих по каналам 10, расположенным в деформирующем кольце дорна, и подключаются к разъему, который затем соединяется с тензометрическим усилителем (например, ТА-5). Запись результатов измерений производится осциллографом типа Н-115. Для исключения попадания влаги тензометрические датчики заливаются эпоксидной смолой.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно настраивают инструмент (дорн) на рабочий размер по специальному измерительному кольцу, выявляя, таким образом, необходимый натяг на деформирующий элемент - кольцо дорна.
Или перед началом обработки устройство тарируется на прессе, и строятся графики зависимости деформаций от осевого и радиального усилий. Величина радиального усилия определяется по выражению:
рад
H
где ε - величина деформации наружной разжимной втулки 2; F - площадь поперечного сечения наружной разжимной втулки 2; Е - модуль упругости материала втулки; D - наружный диаметр втулки 2; α - угол наклона сопрягаемой конической поверхности втулок 2 и 3; ρ - угол трения.
рад
Под действием усилия протягивания Q деформирующий элемент 4 входит в отверстие обрабатываемой детали, осуществляя поверхностно-пластическую деформацию тонкого слоя металла. Одновременно усилие передается на втулки 2 и 3. В процессе деформации поверхностного слоя наружная разжимная втулка 2 с наклеенными на ней тензометрическими датчиками 6, 7, 8 деформируется передаваемым внутренней втулкой 3 усилием, возникающим в процессе поверхностной пластической деформации кольцом дорна 4.
Причем величина усилия зависит от натяга при поверхностной пластической деформации кольцом дорна, предварительно обработанной шероховатости поверхности, наличия и типа смазки и т.п. Возникающий при этом на датчиках выходной электрический сигнал поступает по проводам 9 на измерительный прибор, усиливается и регистрируется в виде диаграммы.
рад
l
τ
Возникающие усилия при дорновании (Q) вызывают осевые σ/(r) и окружные σ(r) деформации как на наружной поверхности цилиндра, так и на других элементах технологической системы, в частности инструменте. Полагая, что деформации эквивалентны, тогда, замеряя их и используя известные зависимости И.А.Биргера, А.В.Подзея и др., получаем формулы для оценки величины остаточных напряжений в упрочненном слое изделия:
радиальных
окружных
где k - коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости материала поверхностного слоя (например, при наличии в смазке легирующих элементов
2
1
2
(Cu, MoS) k=1,05÷1,23); µ - коэффициент Пуассона; r - внутренний радиус обработанной поверхности; r - пограничный радиус между неупрочненным и упрочненным слоями металла обрабатываемого изделия; можно принять согласно работе О.А.Розенберга:
приведенные деформации изделия в окружном направлении
приведенные деформации изделия в осевом направлении
Полученные формулы являются основными расчетными зависимостями для определения остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемого изделия при деформирующем протягивании дорнованием.
Пример осуществления способа
a
Деталь из среднеуглеродистой стали, например, 30ХГСА с отверстием диаметром 100 мм с исходной шероховатостью поверхности R=1,6 мкм и квалитетом IT7 устанавливают в приспособлении, устройство (установленные на оправке дорн с устройством контроля) центрируют и закрепляют в патроне, например, горизонтально-протяжного станка. Настраивают дорн, состоящий из трех колец по специальному измерительному кольцу на рабочий размер - первое кольцо на ⌀100,01 мм, второе кольцо на ⌀100,02 мм, третье кольцо на ⌀100,03 мм, выявляя, таким образом, необходимый натяг на деформирующие элементы.
в.п
Затем включают станок с закрепленным в патроне устройством, которому обеспечивают скорость поступательного перемещения υ.10 м/мин и одновременную подачу охлаждающей технологической среды.
рад
Первоначально в контакт с заготовкой вступает кольцо дорна 4, которое прижимается с усилием, соответствующим натягу Q, передавая одновременно соответствующее давление на торец наружной разжимной втулки 2, на которую приклеены тензометрические датчики 6, 7, 8, от которых возникающий при этом на датчиках выходной электрический сигнал поступает по проводам 9 на измерительный прибор, усиливается и регистрируется в виде диаграммы.
ост
а
дорн
Для оценки адекватности и эффективности предложенного неразрушающего метода контроля σ при деформирующем протягивании цилиндрических отверстий (возможны варианты) в корпусных деталях проводились исследования на образцах-втулках из материалов стали 45 (НВ 217), чугуне СЧ18-36 (НВ 210) и проушинах узлов крепления консолей крыла из стали 30ХГСН2А (НЯСэ 43-46), 40ХНМА (НRСэ 38-40). Отверстия в образцах предварительно зенкеровали, растачивали до ⌀40…100 мм с обеспечением толщины стенки t=5…15 мм; R=1,8…6 мкм. Окончательную обработку проводили инструментом, состоящим из двух однозубных колец (дорнов) из материала ШХ 15 (HRCэ=61…63) или ВК15 с размерами: диаметр и ширина цилиндрической ленточки ⌀40…100 мм, b=1,5…5 мм; углы заборного и обратного конуса соответственно 3…80° и 3…5° при натягах 0,05…0,25 мм. Деформирующее протягивание осуществлялось на вертикально-протяжном станке модели МА 7У-750 и прессе модели ПР-3 при скоростях υ 0,5…7,5 м/мин и смазке сульфофрезол или водно-глицериновая суспензия с мелкодисперсным порошком меди.
В других примерах, осуществляемых, как описанный пример, меняли значения: при уменьшении диаметра обрабатываемого и контролируемого отверстия менее ⌀40 мм применение данного метода устройства затруднительно из-за его конструктивных возможностей.
При увеличении диаметра отверстия более ⌀100 мм возможности и качество контролирующего процесса не изменяются.
При уменьшении натяга менее 0,05 возможно отсутствие результатов измерений или их частичное фиксирование из-за недостаточного контактирования обрабатываемой поверхности и обрабатывающего инструмента.
При увеличении более 0,25 мм возможен брак обрабатываемого отверстия в виде перенаклепа, выражающегося в шелушении поверхности.
дорн
При уменьшении скорости поступательного перемещения устройства υ менее 0,5 м/мин снижается производительность обработки.
При увеличении скорости возвратно-поступательного перемещения устройства
дорн
υ более 7,5 м/мин возможна неточность выходных параметров.
2
При изменении состава смазки необходимо учитывать коэффициент изменения модуля упругости материала поверхностного слоя (например, при наличии в смазке легирующих элементов (Cu, MoS) k=1,05÷1,23).
Результаты проведенных экспериментов предоставлены в таблице. Здесь же для сравнения приведены величины остаточных напряжений, полученные на тех же образцах по методу акад. Н.Н.Давиденкова, путем вырезки электроискровым способом колец и полосок и послойном стравливании упрочненного слоя металла.
Таблица
Обрабатываемый материал и термообработка
Диаметр отверстия и толщина стенки, d×t, мм
Натяг,а мм
Скорость бработки, м/мин
Рассчитанные (средние значения) остаточные напряжения, МПа
по методу авторов
по методу Н.Н.Давиденкова
радиальных
окружных
осевых
σ<sub>r</sub>
σ<sub>τ</sub>
σ<sub>l</sub>
σ<sub>τ</sub>
σ<sub>l</sub>
Сталь 45 НВ 210-227
80×60
0,05
2,5
25
150
135
-
-
0,1
42
225
210
265
243
Сталь 40ХНМА HRC 38-40
60×4,5
0,15
1,0
34
288
256
338
295
Сталь 30ХГСН2А HRC 44-46
40×10
0,15
0,5
38
305
275
355
317
Чугун СЧ 18-36
80×5
0,1
0,5
18
216
196
248
228
Из таблицы видно, что несовпадение результатов измерений остаточных напряжений по данным методикам находится в пределах 12…20%, что, как показывают различные исследования и практика, вполне допустимо для оценки напряженного состояния при разных методах механической обработки и измерений напряжений.
Данный способ может быть применен при контроле стабильности процесса поверхностного пластического деформирования дорнованием поверхностей различной конфигурации (шлицев, пазов и т.п.).
Применение данного способа обеспечивает получение информации о стабильности формирования остаточных напряжений по всей обрабатываемой поверхности непосредственно в процессе обработки, что облегчает контроль параметров качества поверхностного слоя и тарировку инструмента на требуемую величину натяга.
Наряду с этим при осуществлении способа не нарушается целостность конструкции, что позволяет применить его в сложных технологических условиях (стапель, стенд и т.п.).