Теоретические исследования процесса упрочняющей обработки металлов давлением с комплексным локальным нагружением очага деформации

УДК 621.787.4

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ С КОМПЛЕКСНЫМ ЛОКАЛЬНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ ОЧАГА

ДЕФОРМАЦИИ

С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов

Путем математического моделирования исследовано влияние осевого сжатия, не достигающего предела текучести для материала заготовки, на напряженно-деформационное состояние изделия при реализации процесса упрочняющего комплексного локального нагружения очага деформации.

Ключевые слова: упрочнение, комплексное локальное нагружение очага деформации, параметр Одквиста, градиентные структуры, градиентное упрочнение.

Введение. На современном этапе развития машиностроения к несущим и подвижным деталям механизмов и узлов предъявляют повышенные требования по прочности в сочетании с высокой поверхностной твердостью. На практике подобное сочетание достигается с помощью различных методов упрочнения, большинство из которых имеют существенный и принципиальный недостаток - резкий переход от упрочненной зоны к не упрочненной. Указанное несовершенство распространённых технологий упрочнения может привести, в ходе эксплуатации деталей, к различным дефектам в поверхностных и приповерхностных слоях. Одним из способов решения проблемы является создание в деталях градиентной по механическим свойствам упрочненной структуры, обеспечивающий плавный переход от упрочненной зоны металла к исходной структуре. Создание упрочненных градиентных структур можно осуществить с помощью нового метода обработки металлов давлением - комплексного локального нагруже-ния очага деформации (КЛН-деформирование) [1, 2].

КЛН-деформирование - это совокупность процессов ОМД, в которых очаг пластического деформирования намеренно создается приложением двух и более нагрузок, одна из которых воздействует на значительный объем заготовки (глобальное нагружение), а другая носит локальный характер и формирует подвижную зону деформации со сложным напряженным состоянием [1 - 5]. Общая схема методов КЛН-деформирования представлена на рис. 1 [2].

Заготовка глобально нагружена некоторой силой (или системой сил и моментов Мё), отображающихся на рис. 1 в виде результата: некоторого распределения напряжений Г Параллельно заготовка локально деформируется комплексом инструментов 1, 2, ... п, перемещающихся по траекториям 1, 02 и так далее. Указанные инструменты локализуют очаг деформации, обеспечивая интенсивное пластическое течение малой части объема

132

заготовки. При своем движении инструменты и (или) заготовка обеспечивают перемещение очага деформации. В результате одни и те же части заготовки могут подвергаться как однократному, так и многократному приложению локальных нагрузок, что в итоге обеспечивает эффективность процесса формоизменения и/или упрочнения [1-9].

Рис. 1. Общая схема процессов КЛН-деформирования: 1, 2 - комплекс

инструментов локального деформирования; 3 - заготовка; Р, М - силы и моменты на инструментах;/- напряжения от сил, создающих глобальное нагружение; ык - момент, приложенный

к заготовке в процессе обработки; О^ - траектории движения

инструментов [2]

КЛН-деформирование позволяет производить упрочнение от внешней поверхности изделий с градиентом механических свойств по сечению, при этом возможно создание структур, которые, с одной стороны, позволяют достигать максимальных значений механических свойств на поверхности изделий, с другой - обеспечить их изменение от одной плоскости к другой, или от внешнего диаметра к внутреннему, в случае обработки втулок (или центру заготовки в случае обработки осей, валов).

Практически общая схема в реальном технологическом воплощении может быть реализована как это показано на рис. 2.

В качестве заготовки (см. рис. 1, поз. 3) в данном случае выступает втулка (см. поз. 1 на рис. 2. Инструментом локального деформирования (см. рис. 1, поз. 1) является обкатник (ролик со специальным выступом) рис. 2, поз. 5. Валковая матрица (см. рис. 2, поз. 4), с одной стороны вы-

полняет так же роль инструмента локального деформирования, а с другой стороны создает глобальное нагружение, как и упоры (см. рис. 2, поз. 2). Привод заготовки осуществляется от упоров посредством жесткой геометрической связи. Обработка производится в трехвалковой матрице (см. рис. 2, поз. 4). Ось вращения при использовании токарного станка соответствует оси шпинделя. Упрочнение происходит от наружной поверхности. Внутренняя посажена на оправку (см. рис. 2, поз. 3).

Рис. 2. Схема упрочняющего КЛН-деформирования: 1 - заготовка;

2 - упоры; 3 - оправка; 4 - валковая матрица; 5 - обкатник [10]

Процесс упрочнения протекает за счет внедрения кольцевого выступа в металл заготовки и его винтовом перемещении, в результате возвратно-поступательного перемещения обкатника (см. рис. 2, поз. 5) в осевом направлении. Такое перемещение и определяет траекторию О - см. рис. 1. Ролики валковой матрицы (см. рис. 2, поз. 4) при вращении заготовки заглаживают канавку, сформированную выступом обкатника, и параллельно создают квазигидростатическое давление. Таким образом, возникают:

- радиальные сжимающие напряжения, вследствие сжатия металла между кольцевым выступом и оправкой (см. рис. 2, поз. 3), на которую установлена заготовка (см. рис. 2, поз. 1);

- осевые сжимающее напряжения, так как при внедрении кольцевого выступа в металл заготовки происходит пластическое течение металла в стороны от выступа в осевом направлении, чему препятствуют недефор-мируемые участки заготовки и фиксация торцов заготовки упорами (см. рис. 2, поз. 2);

- тангенциальные сжимающие напряжения, за счет препятствия не-деформируемых участков заготовки смещению металла в тангенциальном направлении при обкатке роликом с кольцевым выступом (см. рис. 2, поз. 5).

Очевидно, что на процесс упрочнения КЛН-деформирования при реализации способа [10] оказывают влияние различные технологические параметры: геометрия кольцевого выступа (формирующего инструмента), число возвратно-поступательных движений (число проходов), сила (сила Р на рис. 2, которая приложена к формирующему инструменту и т.д. В то же время определенный интерес представляет сила, которая может быть приложена к прижимам и ее величина. По сути, данная сила представляет собой силу осевого сжатия заготовки (Рос), очевидно, для исключения потери устойчивости и сохранении схемы напряженно-деформированного состояния её величина не должна превышать предела текучести для материала. Подобное технологическое решение использовано в способе [12] (см. рис. 3).

$1 ;/ \Л¿\з

Рис. 3. Схема упрочняющего КЛН-деформирования с приложением осевой силы для упрочнения изделия от внутренней поверхности: 1 - заготовка; 2 - упор; 3 - прижим; 4 - дорн; 5 - валковая матрица;

Рос - осевая сжимающая сила [11]

Обработка осуществляется следующим образом: заготовку (см. рис. 3, поз. 1) устанавливают на вращающийся упор (см. рис. 3, поз. 2), к торцу прикладывают сжимающую силу Рос, создающую осевое напряжение, не достигающее предела текучести, посредством прижима (см. рис. 3, поз. 3). Заготовке сообщают крутящий момент, затем внутреннюю поверхность формируют многократным возвратно-поступательным осевым перемещением раздающего пуансона-дорна (см. рис. 3, поз. 4), имеющего участок большего диаметра, а наружную поверхность - обкаткой с обжимом в роликовой матрице (см. рис. 3, поз. 5), после чего разводят ролики, отводят прижим и извлекают готовую втулку.

135

Очевидно, что величина осевого сжатия и его величины на напряженно - деформированное состояние при упрочняющем КЛН-деформи-ровании может оказывать существенное влияние на картину пластического течения металла при обработке. Поэтому, задача о теоретическом исследовании влияния осевого сжатия на группу упрочняющих процессов КЛН-деформирования путем построения математической модели процесса, является актуальной.

Основная часть. В ходе математического моделирования и теоретического исследования влияния осевого сжатия нет необходимости моделировать весь технологический процесс упрочняющего КЛН-деформирования, как это описано выше, достаточно проанализировать единичное внедрение ролика (индентора, кольцевого выступа) в тело заготовки.

Расчетная схема для математического моделирования представлена на рис. 4. Для расчета были сформулированы следующие граничные условия:

- для узлов, касающихся деформирующего ролика (индентора), запрещено перемещение внутрь инструмента;

- для узлов, соприкасающихся со штриховкой, запрещены любые перемещения.

Рис. 4. Расчетная схема процесса единичного акта внедрения ролика при упрочнении КЛН-деформированием: 1 - деформирующий ролик (индентор); 2 - траектория однократного внедрения деформирующего ролика на величину; 3 - заготовка; 4 - ось симметрии

В качестве тела внедрения будем использовать тороидальный ролик с радиусом 0,5 мм. Для моделирования силового действия ролика будем использовать относительные глубины внедрения, отнесенные к толщине заготовки. Величину осевого сжатия будем определять в долях от предела текучести для рассматриваемого материала &Т =&0.

На рис. 5 показаны результаты математического моделирования при внедрении в тело заготовки тороидального инструмента на относительную глубину 0,02 при различных значениях величины осевого сжатия. Картина представляет собой изолинии параметра Одквиста при его нулевом значении. Таким образом, данная картина (см. рис. 5) определяет упрочненную зону в заготовке.

Из рис. 5 видно, что в случае наличия осевого сжатия упрочненная зона для тороидального ролика разделяется на две зоны в виде «лепестков». Заметим, что подобные картины наблюдаться и для других типов инструментов (цилиндрический ролик). Прикладываемая осевая сила должна быть более 0,9 -00, иначе положительного эффекта в плане роста упрочненной зоны не наблюдается (рис. 5).

Проследим за изменением упрочнённой зоны в зависимости от относительной глубины внедрения ролика (рис. 6) при максимально возможной (в условиях не достижения предела текучести) величине осевого сжа-тия.Из рис. 6 очевиден планомерный рост глубины упрочнения с ростом глубины (силы) внедрения ролика.

0,99ап 0,9с,

002

0,016 0.012

0.008

от от

Рис. 5. Геометрия упрочнённой зоны для тороидального ролика в зависимости от величины осевого сжатия

Рис. 6. Изменение упрочненной зоны в зависимости от относительной глубины

внедрения для тороидального ролика при рос = 0,99 -0-0

В таблице представлены данные по увеличению относительной глубины упрочения и максимального значения параметра Одквиста при максимальном значении осевого сжатия и его отсутствия. Из данных таблицы видно, что максимальную эффективность (рост глубины упрочнения и его максимальной величины) приложение дополнительного осевого сжатия при малых глубинах внедрения, при больших значениях разница не столь велика, что так же видно из рис. 5. Необходимо отметить, что рост максимального значения параметра Одквиста не всегда желаемый эффект. Данные величины относятся к поверхностным слоям, что в итоге при росте числа проходов может привести к разрушению.

Рост величин максимального значения параметра Одквиста и значение относительной глубины упрочнения при различной глубине внедрения и геометрии инденторов для сравниваемых значений

Росс = 0 и рос = 0,9-0-0

Относительная глубина внедрения 0,002 0,004 0,008 0,012 0,016 0,020

Рост максимального значения параметра Одквиста, % 22,02 20,24 19,12 16,44 16,09 15,44

Рост относительной глубины упрочнения, % 144,09 72,71 41,16 17,59 6,50 1,93

Основное различие в геометрии упроченной зоны - наличие ярко выраженных и значительных «лепестков» в случае дополнительного осевого сжатияпри рос > 0,9. Появление указанной особенности можно объяснить, если подробнее рассмотреть картину распределения напряженийпри наличии осевого сжатия (рис 7). Из рис. 7 видно, что зоны с схг и сгг (значения напряжений сх и с, отнесенный к с0) очень близки друг к другу. В то же время в продольном сечении в напряженном состоянии находится вся заготовка (см. рис. 7) для случая осевого сжатия рос = 0,99 с0. Это объясняется тем, что в указанной плоскости части заготовки, изначально, перед внедрением инструмента, более близки к переходу в пластичное состояние, чем в других плоскостях, так как подвергнуты осевому сжатию. Благодаря наличию «лепестков» упрочненная зона фактически разбивается на две составляющие.

Указанное обстоятельство дает существенные преимущества технологиям с приложением дополнительной осевой нагрузки. Ввиду того, что при упрочняющем КЛН-деформировании имеет место продольная подача с определенным шагом, неминуем тот момент, когда «лепестки», расположенные по направлению подачи ролика слева и справа, пересекутся. Оче-

видно, что «лепестки» (каждый по отдельности) при прочих равных условиях дважды проходят один и тот же объем, а следовательно, обработка по способам с приложением осевой нагрузки с величиной рос > 0,9 -а0 в два раза эффективнее чем по схеме без осевого сжатия при рос = 0.

Рис. 7. Изолинии относительных сжимающих напряжений, показывающие границу пластической и упругой зоны деформации для тороидального ролика с осевым сжатием рос = 0,99 а0 и без,

глубина относительного внедрения 0,02

Выводы. В работе с теоретических позиций рассмотрен один из важных практических аспектов реализации технологии упрочнения методом комплексного локального нагружения очага деформации - предварительное осевое сжатие заготовки, не достигающее предела текучести. Показано, что обработка по схемам с приложением осевого нагружения целесообразна при его значении от 90 до 99 % от предела текучести. Обоснова-

139

но, что обработка с приложением осевого сжатия при прочих равных в два раза эффективней, чем обработка без приложения осевых нагрузок. Дан ряд рекомендаций по выбору технологических параметров обработки по методам упрочняющего комплексного нагружения очага деформации.

Список литературы

1. Научные основы упрочнения комплексным локальным деформированием / В. А. Голенков, С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов, Г.П. Короткий. М.: ООО «Издательство «Машиностроение», Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013. 122 с.

2. Microhardness Distribution in the Cross-section in Case of Strain Hardening under Combined Local Load, / V.A. Golenkov, S.Y. Radchenko, D.O. Dorohov, and I.M. Gryadunov // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. Number 20 P. 10315-10320.

3. The volumetric surface hardening of hollow axisymmetric parts by roll stamping method Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2015. Vol. 50. Iss. 1. P. 104 - 112.

4. Reinterpretation of measures of linear deformation Science, Tecnolo-gy and Higher Education [Text]: materials of the international research and practice conference, Vol. II, Westwood, December 11-12, 2012 / publishing office Ac-cent Graphics communications - Westwood- Canada, 2012. 608 p.

5. Перспективы применения технологии «валковая штамповка» для получения градиентных субмикро- и наноструктурных материалов / В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. Вып. 2. С. 123 -128.

6. Формирование градиентных субмикро- и наноструктурных состояний комплексным локальным нагружением очага деформации / Голен-ков В. А., Радченко С.Ю., Дорохов Д.О. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. №3. С. 54 - 56.

7. Применение комплексного локального нагружения при формировании градиентных механических свойств / В. А. Голенков, С.Ю. Радченко, О.В. Дорофеев, Д.О. Дорохов // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. №10. С. 22 - 25.

8. Создание градиентных наноструктур в осесимметричных изделиях / В. А. Голенков С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов, И.М. Грядунов // Нано-инженерия. 2012. № 5. С. 18 - 22.

9. Математическая модель упрочняющей обработки внутренней поверхности деталей типа втулок интенсивной пластической деформацией в условиях комплексного локального нагружения / Радченко С.Ю. Голенков

В.А., Морев П.Г., Дорохов Д.О., Грядунов И.М. // Фундаментальные и прикл. проблемы техники и технологии, Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2013. №5 С. 40 - 48.

10. Способ получения металлических втулок: пат. 2340423 РФ, № 2007110990/02; заявл. 26.03.2007; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 13.

11. Способ получения металлических втулок с градиентной суб-микро- и нанокристаллической структурой: пат. 2387514 РФ, № 2008146756/02; заявл. 26.11.2008; опубл. 27.04.2010. Бюл. № 12.

Радченко Сергей Юрьевич, д-р техн. наук, проф., проректор, radsuarambler.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,

Дорохов Даниил Олегович, канд. техн. наук, доц., ddostu@,mail.ru, Россия, Мценск, Мценский филиал Орловского государственного университета имени И. С. Тургенева

THEORETICAL STUDIES OF THE PROCESS OF HARDENING METAL FORMING WITH COMPLEX LOCAL LOADING OF THE CENTER OF DEFORMATION

S. Yu. Radchenko, D. O. Dorokhov

In the work by mathematical modeling of the influence of axial compression below the yield strength of the workpiece material, on the stress-strain state of engineering in the implementation process of hardening of complex local loading of the center of deformation.

Key words: hardening, complex local loading of the center of deformation, Odkvist parameter, gradient structure, gradient hardening.

Radchenko Sergey Yurievich, doctor of technical sciences, professor, the prorector, radsii a ramhler. ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Dorokhov Daniil Olegovich, candidate of technical sciences, docent, ddos-tu@mail.ru, Russia, Mtsensk, Mtsensk branch of Orel State University named after I.S. Tur-genev