Интенсификация напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при стесненных условиях нагружения

УДК 621.7.011

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ

© С.А. Зайдес 1, Нго Као Кыонг2

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

Представлены результаты компьютерного моделирования и анализа влияния способов закрепления изделия на напряженное состояние; определены остаточные напряжения по глубине модели, величины упругой разгрузки и эквивалентные полные деформации. Рассмотрены напряженно-деформированные состояния в очаге деформации при свободном, стесненном и жестком условиях нагружения. Результаты исследования позволяют вести поиск конструкции инструмента и схемы нагружения, обеспечивающие упрочнение маложестких валов в стесненных условиях деформации.

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование; напряженно-деформированное состояние; упрочнение; остаточное напряжение; упругая разгрузка; ANSYS.

STRESS-STRAIN STATE INTENSIFICATION IN DEFORMATION ZONE UNDER CONSTRAINT LOADING CONDITIONS S.A. Zaides, Ngo Cao Cuong

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

The article discusses the results of computer simulation and analysis of the effect of workpiece holding methods on the stress state. It estimates residual stresses in depth of the model, elastic unloading magnitudes and equivalent total strains. Stress-strain states are considered in the deformation zone under free, constraint and hard loading. The study results allow to search for tool designs and loading schemes that provide hardening of low-rigid shafts under constraint conditions of deformations.

Keywords: surface plastic deformation; stress-strain state; hardening; residual stress; elastic unloading; ANSYS.

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) - это метод обработки детали без снятия стружки, при котором пластически деформируется только поверхностный слой детали. В результате ППД уменьшается шероховатость поверхности, увеличивается твердость (микротвердость) металла, в поверхностном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения. Это улучшает эксплуатационные показатели детали: ее выносливость увеличивается в 1,5-2,3 раза, срок службы - в 10 раз, повышается сопротивление схватыванию, контактная выносливость и другие эксплуатационные показатели [4, 5]. Особенно эффективным является упрочнение деталей, имеющих конструктивные или технологические концентраторы напряжений, выточки, галтели и др. [5]. До-

стоинством ППД является технологическая универсальность и экономичность.

При пластическом упрочнении достигается изменение ряда показателей свойств поверхностного слоя [3]:

- формируется качественно новая макро- и микрогеометрия поверхности;

- кристаллическая решетка материала поверхностного слоя претерпевает упругопластические искажения, приводящие к формированию остаточных напряжений;

- в поверхностном слое возникают остаточные макронапряжения сжатия;

- повышается сопротивление пластической деформации при циклических эксплуатационных нагрузках;

- повышаются пределы прочности и текучести, твердость и микротвердость по-

1

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

Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405 147, email: zsa@istu.edu Нго Као Кыонг, аспирант, тел.: 89641158684, e-mail: cuong.istu@gmail.com Ngo Cao Cuong, Postgraduate, tel.: 89641158684, e-mail: cuong.istu@gmail.com

верхности;

- несколько снижаются характеристики пластичности.

В разнообразных технических устройствах достаточно широко используются детали типа валов и осей малой жесткости. Такие изделия нетехнологичны, поскольку являются трудоемкими как при обработке резанием, так и при отделочно-упрочняющих процессах поверхностным пластическим деформированием. При поперечном воздействии режущего или деформирующего инструмента валы легко изгибаются. Для того чтобы снизить искривление деталей, уменьшают значения режимов обработки, а это негативно отражается не только на производительности процесса, но и качестве изделий (шероховатость, глубина упрочнения, наклеп, остаточные напряжения).

В этой связи возникает вопрос об интенсификации напряженно-деформированного состояния существующих технологических схем и способов поверхностного пластического деформирования. В данной работе рассматривается возможность интенсификации напряжений и деформаций в очаге упруго-пластической деформации при нагружении плоской поверхности шаром. Для решения поставленной задачи предлагается использовать стесненные условия нагружения.

Под стесненной деформацией понимают процесс, происходящий в ограниченных условиях закрепления и нагружения. Стесненные условия нагружения приводят к увеличению интенсивности деформации, изменению характера перемещения изделия. Стесненные условия вызывают деформацию всех частиц материала в объеме тела.

На рис. 1 представлены схемы нагружения объемного тела (куба) жестким шаром. Для компьютерного моделирования условий нагружения моделей в данной работе использовали программный пакет ANSYS. Эта универсальная программная система конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является доволь-

но популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчетов решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяют избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование - изготовление - испытание» [1].

Для проведения расчета при ППД в среде ANSYS были построены геометрические модели в виде полушара и блока и контакта между ними. Конечно-элементные модели трех схем нагружения представлены на рис. 2. Исходные данные модели для проведения исследования: полушар из сплава ВК8 с радиусом 5 мм; основная модель из стали Ст45 (от=360 МПа) с размерами 12х12х15 мм; оболочка из алюминия толщиной 3 мм. Глубина внедрения полушара - 0,5 мм, сила внедрения -1500 Н.

Для оценки напряженно-деформированного состояния в разных точках по глубине модели определяли эквивалентное напряжение (von - Mises), нормальные напряжения по осям Oz, Ox, Oy, полное перемещение узла и также эквивалентные полные деформации, получаемые на основе упругих, пластических деформаций. Критерий напряжения по Мизесу основывается на теории Мизез - Хенки, также известной как теория энергии формоизменения. При использовании главных напряжений Oi, о2 и о3, напряжение по Мизесу ое вычисляется как [2]:

°е= 72

у

К - ^2)2 + (>2 - *3)2 + + (°3 - tfi)2

Полное перемещение и рассчитывается по формуле

и = ^й^+й^+й^,

где их, иу, иг - перемещения в прямоугольной системе координат.

i

Результаты компьютерного моделирования. На рис. 3 представлены фрагменты программы по расчету напряжений и деформаций в свободно нагруженном теле. На рис. 4-7 приведены кривые изменения напряжений, деформаций и перемещений по глубине нагруженной модели. При нагружении в условиях ограниченного и жесткого стеснения кривые качественно совпадают, отличаются только величины параметров. Результаты моделирования отражены в таблице.

Нагружение в стесненных условиях приводит к увеличению зоны пластического течения. Максимальные эквивалентные напряжения находятся на глубине, в 5-5,5 раз превышающую глубину внедрения шара. Стесненные условия нагружения существенно влияют и на величину остаточных напряжений. Так, остаточные напряжения вдоль оси х и y растут от -500 до -700 МПа, а в направлении оси z - от -180 до -320 МПа.

а б в

Рис. 1. Схема нагружения упруго-пластического тела жестким шаром: а - свободное нагружение; б - нагружение в упругой оболочке; в - нагружение при жестком закреплении

а б в

Рис. 2. Геометрическая модель контакта полушара с поверхностью металла: а - при свободном упрочнении; б - упрочнение с упругой оболочкой; в - упрочнение при жестком закреплении

L> ttk ati

tf -г:ГЯГй<

Ib (14.

Tr»l

I lililto

113." Jl«¡!

fe1! ra-

Ci': GB¡ 171" CiU tilia'.%

r>

* I t.

tnwi» TÍ

б

Рис. 3. Примеры распределения эквивалентных напряжений: а - по сечению лунки; б - по глубине образца; в - остаточных нормальных напряжений по глубине образца

а

в

Ge, МПа

о о

1Л

о

о о

1Л о

о о

1Л о

о о

1Л о

о о

1Л о

мм

о о

Рис. 4. График зависимости эквивалентных напряжений по глубине образца

°ост,МПа

200

-200

-400

-600

h, мм

нормальное напряжение по оси Ои

нормальное напряжение по оси Ох,Оу

Рис. 5. График зависимости остаточных нормальных напряжений по глубине образца

0,50

0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

мм

0,00 1,25 2,50 3,75 5,00 6,25 7,50 8,75 10,00 11,25 12,50 13,75 15,00 Рис. 6. График зависимости полного перемещения по глубине образца

8П, мм/мм

0,20 0,15

0,10 0,05 0,00

мм

0,00 1,25 2,50 3,75 5,00 6,25 7,50 8,75 10,00 11,25 12,50 13,75 15,00 Рис. 7. График зависимости полных деформаций по глубине образца

0

un, мм

Результаты расчета напряжений и деформаций

Условия нагружения о-экв, МПа ofT, МПа о^, МПа Величина упругой разгрузки, мм Эквивалентные полные деформации, мм/мм

макс. мин. макс. мин. макс. мин.

Свободное 351 4 122 -176 140 -522 0,028 0,184

С оболочкой 401 4 68 -196 94 -549 0,030 0,194

С жестким закреплением 403 3 -27 -319 9 -704 0,027 0,199

Таким образом, анализ распределения кривых интенсивности напряжений при вдавливании шара показал, что наибольшие напряжения, близкие к пределу текучести материала, возникают не на поверхности лунки, а в некоторой глубине. В условиях данного эксперимента эта глубина в 3 раза превышает величину внедрения шара. Глубина залегания максимальных остаточных напряжений сжатия почти в 5 раз превышает глубину внедрения шара. Как видно из таблицы, способы закрепления модели значительно влияют на изменение величины напряжений. Качество упрочнения моделей увеличивается за счет интенсификации напряжений в зоне деформации в следующей очередности: свободное упрочнение, упрочнение с оболочкой, упрочнение с жестким креплением. Выявлено, что условия закрепления влияют на величины остаточных напряжений по всем осям: Ох, Оу, Ог. Наименьшие остаточные напряжения получены при свободном упрочнении. Наибольшие значения остаточных напряжений получены при нагружении с жестким закреплением. При таком способе упрочнения по оси Ог воз-

никают сжимающие остаточные напряжения по всей глубине, изменяющиеся в диапазоне от -27 МПа до -319 МПа. Следовательно, способ закрепления модели (объемного тела) является эффективным методом изменения характера и величины распределения остаточных напряжений.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующее заключение. С использованием метода конечных элементов в программе ANSYS разработана расчетная математическая модель процесса нагруже-ния при разных способах закрепления нагруженного тела. Компьютерная программа позволяет определить напряженное и деформированное состояние в зоне деформации. Установлено, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние модели оказывает схема нагру-жения с жестким закреплением, и наименьшее - при свободном деформировании.

Полученные результаты исследования позволяют вести поиск конструкции инструмента и схемы нагружения, обеспечивающих упрочнение маложестких валов в стесненных условиях деформации.

Статья поступила 11.02.2015 г.

1. Басов К.А. АМБУБ: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.

2. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в АЫБУБ Workbech: учеб. пособие. Самара: Изд-во СамГТУ, 2013. 149 с.

3. Деформирующая обработка валов: монография / С.А. Зайдес, В.Н. Емельянов, М.Е. Попов, Е.Ю. Кропоткина, А.С. Бубнов; под ред. С.А. Зайдеса. Ир-

ий список

кутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 452 с.

4. Зайдес С.А. Прогрессивные методы обработки металлов давлением в технологии машиностроения // Вестник ИрГТУ. 1997. № 1. С. 80-85.

5. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. М.: Машиностроение. 1987. 328 с.