Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей на основе оценки программ нагружения поверхностного слоя

Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей на основе оценки программ нагружения поверхностного слоя

В статье приведен новый подход к технологическому обеспечению качества поверхностного слоя и долговечности деталей машин, в соответствии с которым состояние поверхностного слоя деталей на всех стадиях изготовления и эксплуатации рассматривается как результат процесса непрерывного накопления деформаций и исчерпания запаса пластичности металла, протекающего под влиянием программы и истории нагружения [1].
Рассмотрим понятие программы нагружения и метод ее построения при механической обработке.
При обработке в зоне контакта инструмента с деталью возникает очаг деформации ABCDEFG (рис. 1), в котором происходит пластическое течение материала в условиях определенного напряженнодеформированного состояния (НДС).
Форма и размеры очага деформации (ОД) зависят от режимов обработки, формы инструмента, свойств материала, кинематики движения инструмента относительно детали и других технологических факторов.
Формирование поверхностного слоя происходит в результате перемещения частиц поверхностного слоя в ОД по линиям тока, например, линиям 1,2,3 на рис. 1. Перемещаясь вдоль траектории, частица проходит три состояния: начальное, текущее и конечное.

Рис. 1. Модель формирования поверхностного слоя при механической обработке

Начальное состояние это состояние частиц до встречи их с передней границей ОД AG. В этом состоянии они смещаются относительно инструмента, не испытывая пластической деформации, поэтому их свойства соответствуют начальным (исходным) свойствам заготовки. Они могут быть постоянными по толщине поверхностного слоя h, если материал не подвергался предварительному нагружению, или переменными.
Текущее состояние это состояние частиц внутри ОД. Оно зависит от НДС очага деформации, которое определяется решением задачи механики формирования поверхностного слоя [2].
Движение частиц поверхностного слоя внутри ОД сопровождается накоплением вдоль линий тока пластических деформаций, а, следовательно, изменением их свойств.
Мерой искажения формы частицы поверхностного слоя ОД является интенсивность скоростей деформации сдвига:

где ξx, ξy, ξz скорости относительных удлинений; ηxy, ηyz, ηzx скорости относительных сдвигов частицы в направлении координатных осей х,у, z.

Мерой, которая характеризует накопленную деформацию частицей ОД за период времени t0 f1, является степень деформации сдвига Λ:

Мерой напряженного состояния частицы поверхностного слоя ОД является интенсивность касательных напряжений Т:

где σx, σy, σz нормальные, а τxy, τyz, τzx касательные напряжения на площадках, перпендикулярных к координатным осям x, у, z.

Важной характеристикой напряженного состояния частицы ОД является показатель напряженного состояния П [3]:

П=σ/T

где среднее напряжение.

Важным интегральным параметром, характеризующим состояние поверхностного слоя, является степень использования запаса пластичности металла (СИЗП). В категориях механики СИЗП является мерой поврежденности металла, оцениваемой неким скаляром Ψ, изменяющимся от 0 до 1 [3]. При Ψ = 1 в поверхностном слое детали происходит зарождение трещины. СИЗП сравнительно новый параметр состояния поверхностного слоя. Количественная оценка Ψ при обработке и эксплуатации деталей может быть выполнена на основе использования феноменологической теории разрушения металла. Простейшая линейная модель, описывающая процесс разрушения частицы металла, имеет вид [3]

где Λp предельное значение степени деформации сдвига, зависящее от П, при достижении которого возникает разрушение металла (зарождение магистральной трещины).

Функция Λp(П) называется кривой предельной пластичности, которую устанавливают опытами по нагружению образцов при различных значениях П.
Если развитие деформации сопровождается изменением знака деформации, то при этом происходит частичное снижение СИЗП. В этом случае используют более сложные модели исчерпания запаса пластичности металла.
Величины H, Λ, Т, П, Ψ не зависят от направления системы координат, т.е. являются инвариантами.
Конечное состояние частиц возникает при выходе их из ОД. Относительное смещение частицы после пересечения задней границы ОД не сопровождается накоплением пластических деформаций, поэтому значения Λ, Ψ не изменяются. Однако в результате упругой разгрузки возникают остаточные напряжения, которые наряду с Λ, Ψ являются основными механическими параметрами состояния поверхностного слоя.
Ввиду неравномерной интенсивности пластического течения металла в ОД формируется поверхностный слой с неравномерными по глубине параметрами механического состояния.
Особенностью предложенной модели является то, что состояние поверхностного слоя детали рассматривается не как результат "застывшей" картины напряженнодеформированного состояния, а как результат истории пластического течения металла, протекающей под влиянием программы нагружения.
Программа нагружения это функция Λ = Λ(П), которая с механической точки зрения характеризует процесс формирования поверхностного слоя.
Использование программы нагружения (ПН) в инженерии поверхностного слоя имеет ряд существенных достоинств.
1. Анализ осуществляется на строгой научной основе, базирующейся на фундаментальной дисциплине механике сплошных сред. Это позволяет подойти к сквозному анализу состояния поверхностного слоя на всех стадиях обработки и эксплуатации деталей машин с единых методологических позиций.
2. Программа нагружения имеет технологический смысл, так как полностью определяется технологическими факторами. Для расчета ПН необходимо располагать рядом начальных и граничных условий, часть из которых устанавливается технологическим экспериментом, а другая часть путем экспериментальным исследованием свойств обрабатываемого материала при различных моделях нагружения В этом проявляется достоинство механики деформируемых сред как феноменологической науки, сочетающей строгость научных положений с достоверностью экспериментальных данных
3. Программа нагружения раскрывает наследственный характер формирования поверхностного слоя Численный анализ позволяет не только установить коэффициент наследования тех или иных параметров состояния поверхностного слоя, но и раскрыть физические закономерности (механизм) технологического наследования, что является одной из основных задач технологии машиностроения
4. Появляется возможность использования более сложных, ной более достоверных моделей поведения металла под нагрузкой, выявления и описания физических связей между изучаемыми явлениями и процессами, систематизация и структуризация полученной информации в виде, пригодном для применения современных информационных технологий.
5. Степень деформации сдвига Λ и показатель напряженного состояния П, определяющие ПН, характеризуют процесс формирования поверхностного слоя и имеют физическую связь с такими показателями состояния поверхностного слоя, как твердость, остаточные напряжения, степень исчерпания запаса пластичности металла, существенно влияющими на долговечность деталей при эксплуатации машин.
Задача решается путем выявления области пластического течения металла (очага деформации), расчета в нем параметров тензоров напряжений и скоростей деформаций, построения линий тока частиц поверхностного слоя, расчета вдоль этих линий Λ, Ψ, П и программы нагружения [2].
Задача механики формирования поверхностного слоя в изложенной выше постановке авторами решена на примере трех стадий жизненного цикла детали: обработки резанием, упрочнения поверхностным пластическим деформированием, эксплуатационного нагружения до зарождения усталостной трещины (циклическая долговечность).
Каждая стадия разбивалась на этапы квазимонотонного деформирования, которые описываются ПН, а технологическое наследование учитывает всю историю нагружения, т.е. эволюцию процесса пластической деформации во времени.
На каждой последующей стадии нагружения ПН стартует с уровня Λ и Ψ, достигнутого на предыдущей стадии.
Степень исчерпания запаса пластичности металла внутри каждого этапа квазимонотонной деформации определяли по модели Калпина Филиппова, учитывающей снижение Ψ на границах этих этапов. Эта модель после преобразования в категориях степени деформации сдвига имеет вид:

где Λк степень деформации сдвига на участке квазимонотонной деформации; Δi текущая степень деформации сдвига; φ0 коэффициент, определяемый испытаниями на пластичность; n параметр степенной аппроксимации кривой упрочнения.

Расчет ПН на стадии поверхностного пластического деформирования (ППД) методом упрочняющего обкатывания роликом осуществлялся по методике, изложенной в работе [4].
Расчет ПН на стадии резания осуществлялся для частиц очага деформации, расположенных ниже критической линии, разделяющей потоки металла, уходящие в стружку и под инструмент [5].
Наибольший практический интерес представляет изучение влияния истории нагружения на стадиях механической обработки на долговечность детали при эксплуатации. С этой целью были выполнены испытания образцов на сопротивление усталости при многоцикловом нагружении.
Испытания проводили по схеме консольного изгиба образцов с вращением с частотой приложения нагрузки 50 Гц. Максимальное напряжение цикла σа на поверхности образца составляло 280 Н/мм2. Испытывались 7 серий образцов по 8 образцов в каждой серии. Материал образцов сталь 45, (ГОСТ 105088), твердость 167... 170 HV. Рабочая часть образцов имела длину 100 мм и диаметр 20 мм. Токарная обработка всех серий образцов осуществлялась на одинаковых режимах: частота вращения образца 2000мин1 подача 0,25 мм/об, глубина резания 1 мм. Геометрия режущей части инструмента из твердого сплава ВКЗ: α = 9°; γ = 10°; λ = 0°; φ = 45°; φ1 = 30°; ρ = 0,03 мм. Обкатывание образцов осуществлялось на токарном станке с ЧПУ роликом, имеющим диаметр и профильный радиус соответственно 50 и 5 мм. Режимы обкатывания: подача 0,07 мм/об, частота вращения образца 630 мин1. Каждая серия образцов обкатывалась с различной силой.
По очагам деформации проводился расчет параметров механического состояния по глубине поверхностного слоя с использованием специального пакета прикладных программ. При расчетах в качестве характеристик металла использовали кривую упрочнения σi = 36 + 63,2Λ0,574, полученную экспериментально. Кривую предельной пластичности Λр = 1,232ехр(0,697П) заимствовали из работы [6].
Режимы обкатывания и результаты расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сила обкатывания Р образцов, глубина упрочнения h и значения Λ и Ψ на поверхности образцов, достигнутые в результате обкатывания

Номер серии образца

Р, Н

h, мм

Λ

Ψ

1

1000

1,684

1,684

0,510

2

1500

1,684

1,684

0,680

3

2000

1,950

1,950

0,682

4

3000

1,927

1,927

0,750

5

3500

2,029

2,029

0,880

6

4000

2,095

2,095

0,920

7

4500

2,062

2,062

0.940

Таким образом, перед усталостными испытаниями образцов на сопротивление усталости их поверхностный слой имел различную историю нагружения, а, следовательно, различные параметры состояния поверхностного слоя.
В соответствии с представлениями авторов [1] на стадии эксплуатационного нагружения в поверхностном слое продолжаются накопление деформаций Л и исчерпание запаса пластичности металла поверхностного слоя W от уровня, достигнутого на стадиях механической обработки. В каждом цикле нагружения вследствие изменения знака деформации происходит изменение показателя схемы напряженного состояния, накопление и частичное залечивание поврежденности металла. Возникновение усталостной трещины происходит на глубине h* в точке вероятного разрушения, в которой значение Ψ = 1 достигается раньше, чем в других точках поверхностного слоя. Поэтому расчеты циклической долговечности осуществляли с начального суммарного уровня Λмех и Ψмех, рассчитанного в этой точке по стадиям механической обработки резания и ППД (табл. 2).

Таблица 2. Сила обкатывания Р образцов, значение h* , значения σа, Λ и Ψ на глубине вероятного зарождения усталостной трещины

Номер серии образца

Р, H

h*, мм

σа МПа

Λ

Ψ

Λ

Ψ

Λмех

Ψмех

после резания

после обкатывания

сумма

1

1000

0,274

273,0

0,17

0,136

0,249

0,34

0,419

0,476

2

1500

0,369

273,1

0,376

0,44

0,546

0,576

3

2000

0,474

263,0

0,36

0,43

0,530

0,566

4

3000

0,463

274,1

0,416

0,48

0,586

0,616

5

3500

0,513

280,0

0,623

0,643

0,793

0,779

6

4000

0,548

272,4

0,718

0,72

0,888

0,856

7

4500

0,53

270,2

0,732

0,732

0,902

0,868

Существует ряд труднопреодолимых препятствий, не позволяющих получить корректное замкнутое аналитическое решение, описывающие кинетику материала в точке вероятного разрушения. Это связано со сложностью идентификации ОД при циклическом нагружении и оценки его деформированного состояния в каждом цикле.
Авторами на концептуальном уровне было предложено построение программ нагружения на стадии циклической долговечности для изгиба консольного вала с вращением [1]. В основу построения программ нагружения положено представление о том, что показатель схемы напряженного состояния может быть представлен в виде, соответствующем показателю напряженного состояния на стадиях механической
обработки, т.е. , где индекс "д" означает действующее напряжение. Значения среднего напряжения σд и интенсивности касательных напряжений Tд рассчитывались из условия, что сумма тензоров (Тσ)д действующих (суммарных) напряжений равна сумме тензоров остаточных (Тσ)ост и усталостных (циклических) напряжений (Тσ)уст.
В соответствии с данной методикой были рассчитаны программы нагружения для всех семи серий образцов, указанных в табл. 2.
В качестве примера рассмотрим результаты, полученные для первой серии.
Для этой серии стадия циклической долговечности начинается со значения Λ = 0,42, достигнутого на стадиях механической обработки. Расчеты показали, что программа нагружения для первой выборки имеет вид:

где среднее значение показателя напряженного состояния в цикле.

Модель программы (1) получена в предположении о неизменном в течение цикла показателе схемы. В действительности, как показали расчеты, показатель схемы напряженного состояния в зависимости от истории нагружения от 2 до 5 раз меняет свое значение и (или) знак в течение одного цикла. С учетом сказанного, модель программы нагружения может быть представлена в виде, показанном на рис. 2.

Рис. 2. Программа нагружения точки вероятного разрушения поверхностного слоя на стадии циклической долговечности для первой выборки:
1, 2, 3 огибающие программы нагружения соответственно при положительном, отрицательном и среднем значениях напряжений цикла, 4 ступенчатая программа нагружения

На рис. 2 видно, что ПН представляет собой ступенчатую ломаную линию, описывающую изменение показателя схемы в каждом цикле и накопление деформации в зависимости от этого изменения. По мере накопления деформаций и релаксации остаточных напряжений размах показателя напряженного состояния в цикле возрастает. Расчеты показали, что, сохраняя общую конфигурацию [1], программа нагружения отличается тем, что среднее значение показателя напряженного состояния в цикле смещается к нулю от отрицательного значения, т.е. в направлении положительных (более "жестких") значений.

Рис. 3. Программы нагружения образцов на стадии циклической долговечности при средних значениях показателя схемы напряженного состояния в цикле:
1...7 номера серий образцов, 0 отожженный образец, 8—огибающая линия начальных точек программ нагружения

Программа нагружения на стадии циклической долговечности существенно зависит от истории нагружения поверхностного слоя (рис. 3). Чем больше деформация поверхностного слоя, накопленная на стадиях механической обработки, тем с большего значения стартует программа нагружения на стадии циклической долговечности. Циклическое нагружение происходит в более узком интервале изменения . Наиболее жесткую программу нагружения имеет образец, у которого отсутствует упрочнение (линия 0 на рис. 3).

Рис. 4. Зависимость накопленной степени деформации сдвига от числа циклов нагружения Nц.н:
1...7 номера серий образцов; 0— отожженный образец

Изменение программы нагружения приводит к изменению скорости накопления деформаций на стадии циклической долговечности (рис. 4). Чем больше наследственная деформация, тем меньше накапливаемая деформация на стадии циклической долговечности, тем меньше приращение степени деформации в одном цикле нагружения и тем меньше значение циклической долговечности. Наибольшая скорость накопления деформаций и наименьшее значение циклов нагружения Nц.н до зарождения трещины наблюдается для неупрочненного образца (линия 0 на рис. 4).
Использование понятия "программа нагружения" позволяет выполнить сквозное описание формирования поверхностного слоя на стадиях жизненного цикла детали и представить его в виде соответствующих моделей.

Рис. 5. Зависимость степени исчерпания запаса пластичности металла от наследственной и накапливаемой на стадии циклической долговечности степени деформации сдвига:
1... 7 номера серий образцов

На рис. 5 представлены результаты сквозного расчета (по стадиям резания, ППД и циклической долговечности) степени исчерпания запаса пластичности металла для первой серии образцов.
Стадия циклической долговечности завершается полной релаксацией остаточных напряжений и полным исчерпанием запаса пластичности металла в критической точке, чему соответствует Ψ = 1. Этому состоянию соответствует зарождение усталостной трещины в виде дефектов размером 0,02...0,2 мм. Появление трещины означает начало новой стадии нагружения стадии циклической трещиностойкости, которая описывается известной диаграммой циклической трещиностойкости в координатах скорость роста усталостной трещины коэффициент интенсивности напряжений [7]. Расчеты показали, что чем больше на стадии механической обработки в поверхностном слое накопится деформаций, тем больше исчерпание запаса пластичности металла и тем при меньших значениях порогового коэффициента интенсивности напряжений Kth зарождается (рис. 6) и с большей скоростью v развивается (рис. 7) усталостная трещина.

Рис. 6. Зависимость порогового коэффициента интенсивности напряжений Kth от степени деформации сдвига металла, достигнутой на операциях механической обработки

Рис. 7. Зависимость скорости роста усталостной трещины в точке окончания линейного участка диаграммы циклической трещиностойкости от степени исчерпания запаса пластичности металла, накопленной на стадиях механической обработки

Таким образом, ПН влияет не только на зарождение усталостной трещины, но и на ее развитие (живучесть детали).
Приведенные выше данные позволили сформировать следующие представления о трансформации программ нагружения на стадиях нагружения.
1. Степень деформации сдвига (накопленная деформация) Λ, исчерпание ресурса пластичности Ψ, остаточные напряжения [(Тσ)ост] являются наследуемыми параметрами состояния поверхностного слоя, влияющими на процесс нагружения на второй и последующих операциях (стадиях) механической обработки.
2. Нагружение на каждой последующей стадии приводит к формированию ОД, параметры НДС которого зависят от наследуемых параметров поверхностного слоя и определяют ПН. Программа нагружения на текущей стадии стартует с накопленных значений Λ и Ψ. Остаточные напряжения, сформированные на предыдущей стадии, на текущей стадии полностью снимаются, но при завершении этой стадии возникают новые остаточные напряжения, тензор которых (Тσ)ост формируется с учетом наследуемых и накопленных свойств. На стадии циклической долговечности остаточные напряжения релаксируют по определенному закону, изменяя в каждом цикле нагружения программу нагружения.
3. Роль истории нагружения для второй стадии и последующих стадий обработки заключается в наследственном влиянии на конфигурацию программы нагружения, скорость накопления деформаций и исчерпание ресурса пластичности.
4. Под влиянием истории нагружения ПН на второй и последующих стадиях стартуют с более "жестких" значений показателя схемы напряженного состояния. Иными словами, стартовые значения этих программ все более смещаются в положительном направлении.
5. ПН навторой и последующей стадиях нагружения поверхностного слоя "сжимаются" вдоль осей координат; размах показателя схемы и накопленные на этих стадиях значения степени деформации сдвига уменьшаются.
6. На каждой последующей стадии увеличивается скорость накопления деформаций и исчерпания ресурса пластичности.
7. Технологическое наследование в категориях механики деформирования — это трасформации программ по стадиям нагружения поверхностного слоя.
В настоящее время авторами разработана методика автоматизированного проектирования технологического процесса, обеспечивающего заданную долговечность детали, в основу которой положен сквозной анализ состояния поверхностного слоя.

Литература

1. Смелянский В.М., Блюменштейн В.Ю. Концепции инженерии поверхностного слоя в категориях пластичности и технологического наследования // Справочник. Инженерный журнал. Приложение 2001. №4. С. 1724.
2. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение. 2002. 300 с.
3. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Учебник для вузов. М.: Металлургия. 1986. 688 с.
4. Блюменштейн В.Ю. Механика технологического наследования. Описание программ нагружения очага деформации на стадии
"поверхностного пластического деформирования//Инструмент Сибири. 2001. № 1. С. 1823.
5. Смелянский В.М., Блюменштейн В.Ю. Механика формирования поверхностного слоя деталей при резании // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. 2002. № 9. С. 1619.
6. Богатое А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия. 1984. 144 с.
7. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом разрушении. Киев.: Наукова думка. 1981. 343 с.

В. М. СМЕЛЯНСКИЙ, В.Ю. БЛЮМЕНШТЕЙН
(МГТУМАМИ, КузГТУ)

Справочник, инженерный журнал (приложение)
№9, 2003г. с. 15-20

Статьи партнеров