Разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой тонкостенных осесимметричных изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Короткий, Геннадий Петрович

• Короткий, Геннадий Петрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Короткий, Геннадий Петрович

ВВЕДЕНИЕ. 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ.

1.1 Анализ технологии изготовления литых дисков автомобильных колес.

1.2 Анализ существующих способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием.

Выводы по разделу.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ БЕЗ РАСКАТКИ.

2.1 Постановка задачи исследования.

2.2 Математическое моделирование процесса обкатки тонкостенных заготовок.

2.3 Экспериментальное исследование процесса обкатки.

Выводы по разделу.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБКАТКИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой тонкостенных осесимметричных изделий»

В настоящее время широко применяются несущие тонкостенные осе-симметричные изделия со ступенчатой боковой поверхностью, в частности, диски автомобильных колес, изготовленные из литейных алюминиевых сплавов. Как правило, подобные изделия работают при высоких статических и динамических нагрузках, часто знакопеременного характера, поэтому к их прочности предъявляют высокие требования.

Наиболее распространена следующая технология изготовления литых дисков: получение отливки и механическая обработка обода для придания нужной формы и размеров. При этом срезаются наружные, наиболее прочные и мелкозернистые слои металла и обнажается внутренняя, крупнозернистая и рыхлая структура. Это резко снижает качество поверхности и прочностные характеристики, что заставляет конструкторов увеличивать толщину стенок диска. Упрочняющая термообработка тонкостенных деталей сложной формы имеет ряд ограничений, в частности, возникает значительное коробление стенок детали, требующее последующего исправления.

Повысить прочностные свойства изделий позволяет широко применяемая в промышленности обкатка наружной поверхности роликами. Однако, имеющиеся в литературе рекомендации и методики по определению технологических параметров обкатки относятся, главным образом, к обработке роликами малого диаметра, сопоставимого с толщиной стенки изделия, следовательно, непригодны при обкатке ступенчатых тонкостенных изделий, поскольку при обкатке таких изделий в силу их геометрии необходимо использовать ролики диаметром, сопоставимым с диаметром заготовки.

Поэтому задача по исследованию процесса упрочняющей обкатки тонкостенных изделий и определению оптимальных режимов их обработки, позволяющих добиться необходимого упрочнения и качества поверхности, является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния литых осесимметричных заготовок при локальном деформировании", выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 1997 году, проектом "Исследование характера пластического течения и упрочнения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки", выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 2000 году, проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании", вошедшим в единый заказ - наряд Министерства образования Российской Федерации в 2000 году.

Цель работы: разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающей высокие показатели прочности и качества, и методики ее проектирования.

Методы исследования. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния заготовки при обкатке выполнены на основе теории пластического течения. Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния в процессе обработки проводилось на персональном компьютере при помощи пакета прикладных программ "Штамп", реализующего анализ упруго-пластических моделей методом конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов. Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые разработана математическая модель и проведено численное конечно-элементное моделирование процесса обкатки тонкостенной заготовки при одновременном действии радиальной и тангенциальной сил, в результате которого выявлены особенности пластического течения и упрочнения металла. Определены предельные значения параметров процесса обкатки, при которых не происходит раскатка детали. Выявлен эффект увеличения упрочнения поверхности детали при обкатке роликом, нагруженным тормозной силой. Установлено влияние основных технологических параметров (диаметр ролика, величина радиальной и тормозной сил, приложенных к ролику) на упрочнение поверхностного слоя заготовки. Экспериментально определены зависимости шероховатости и твердости поверхности детали от параметров обкатки.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных методов математического моделирования упруго-пластического течения с учетом контактного трения и упрочнения металла и подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10%.

Автор защищает:

- математическую модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения и результаты ее анализа;

- методику и результаты экспериментальных исследований поверхностного упрочнения тонкостенной осесимметричной заготовки роликами большого диаметра;

- новый способ упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесим-метричных изделий при одновременном приложении радиальной и тангенциальной сил и результаты его экспериментального опробования;

- научно обоснованную методику определения технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработана новая технология упрочняющей обкатки роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающая высокие показатели прочности и качества.

2. Разработана научно обоснованная методика определения необходимых технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.

3. Разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенной технологии.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами Российской Федерации.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением» в Орловском государственном техническом университете.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международном научно-техническом симпозиуме "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации, Орел, 1997, на 2-ой международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии", Орел, 1998, на международной конференции "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства", Тула, 1999, на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", Владимир, 1999. на международной конференции "Технология 2000", 28-30 сентября 2000, ОрелГТУ, на научно-технических конференциях в Орловском государственном техническом университете в 1998-2003 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 1 статья в центральной печати, 3 статьи в сборниках научных трудов, 5 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 65 наименований, приложения и включает 75 страниц машинописного текста, содержит 61 рисунок и 5 таблиц. Общий объем 134 страницы.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Короткий, Геннадий Петрович

Выводы по разделу

1. Установлено, что наибольшее влияние на величину упрочнения металла заготовки при обкатке с торможением ролика оказывают следующие параметры: диаметр ролика, толщина стенки заготовки и величина тормозной силы, приложенной к ролику.

2. Разработана методика определения технологических параметров процесса обкатки с торможением ролика:

- номограммы для определения погонной радиальной силы обкатки,

- диаграммы для определения упрочнения при обкатке с различными режимами.

3. Разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенного способа.

4. Намечены основные направления дальнейшего совершенствования технологии обкатки тонкостенных осесимметричных изделий, в частности, предложен новый способ изготовления втулок из литых заготовок. Предложенный способ защищен патентом Российской Федерации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Щ' В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающей высокие показатели прочности и качества, и методики ее проектирования.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Поверхностное упрочнение обкаткой позволяет повысить эксплуатационные качества тонкостенных изделий из алюминиевых сплавов, работающих при высоких нагрузках. Применение ступенчатых роликов, воздействующих на обрабатываемую поверхность без изменения ее макрорельефа, обеспечивает необходимое качество и производительность обработки.

2. Разработана математическая модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения и проведено ее теоретическое исследование, в результате которого:

- определено влияние основных технологических параметров процесса обкатки на напряженно-деформированное состояние и упрочнение поверхностного слоя тонкостенной заготовки и свойства получаемых изделий.

- установлено, что эффективность поверхностного упрочнения тонкостенных изделий роликами большого диаметра ограничена предельной глубиной внедрения роликов порядка 0,01 толщины стенки, превышение которой вызывает раскатку детали, при этом твердость обработанной поверхности увеличивается не более, чем на 5. 10 % в зависимости от диаметра ролика.

- установлено, что интенсификация процесса упрочнения достигается приложением к ролику тормозной силы, близкой к предельной, при которой возможно проскальзывание ролика относительно обкатываемой поверхности, при этом расчетные значения сдвиговых деформаций по сравнению с обычной обкаткой увеличиваются в 3 — 4 раза, упрочнение возрастает до 36 %.

3. Разработана новая технология, обеспечивающая интенсификацию упрочняющей обкатки роликами тонкостенных осесимметричных изделий, и произведено ее экспериментальное опробование. Предложенные технические решения защищены 3 патентами Российской Федерации.

4. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование процесса обкатки роликами тонкостенных втулок из сплава Ал4, анализ результатов которого показал следующее:

- радиальное биение заготовки после обкатки обкатным устройством малой жесткости уменьшается незначительно, что не позволяет использовать его для уточняющей размерной обработки, но позволяет добиться равномерного упрочнения поверхности за счет малого колебания усилия обкатки;

- шероховатость поверхности после обкатки соответствует чистовому шлифованию, что в ряде случаев позволяет применять обкатку роликами вместо отделочной абразивной обработки;

- наибольшее влияние на шероховатость оказывает величина радиальной и тормозной сил;

- нагружение ролика тормозной силой в процессе обкатки при неизменной величине радиальной силы позволяет добиться большего упрочнения поверхности без раскатки заготовки.

5. Разработана научно обоснованная методика определения технологических параметров процесса обкатки с торможением ролика для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Короткий, Геннадий Петрович, 2004 год

1. Производство отливок из сплавов цветных металлов / А.В. Курдюмов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин, М. Металлургия, 1986.-416 с.

2. Юдкин B.C. Производство и литье сплавов цветных металлов.- М.: Металлургия, 1967. — 237 с.

3. Батышев А.И. Совмещенные способы литья и прессования.- М.: Меtталлургия, 1971. 53 с.

4. Алюминиевые сплавы: Справочник / Под ред. М.Е. Дрица. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979. - 683 с.

5. Мондольфо Л. Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.- М.: Металлургия, 1979. 582 с.

6. Соколов А.Н. Литейные сплавы, применяемые в машиностроении,-М.: Машгиз, 1961.-250 с.

7. Воздвиженский В.М., Жуков А.А., Бастраков В.К. Контроль качества ■ отливок. М.: Машиностроение. 1990. 238 с.

8. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами.-М.: Машиностроение, 1966. 160 с.

9. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным деформированием: Справочник.- М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

10. Олейник Н. В. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин / Н. В. Олейник, В.П. Кычин, А.Л. Луговской. Киев: Техника, 1984. -151 с.

11. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. ^ М.: Машиностроение, 1966.

12. Bearingizing Wheel Cylinders for Hydraulic Brakes, «Machinery» L., 1951, v. 78, N. 20 11.

13. Egger W. Fillet-rolling diesel-engine crankshafts «Machinery», USA, 1960, v. 67, N3.

14. Konig H. Das Glattwalzen von Wellen und Bohrungen. «Werkstatt-stfchnik und Maschinenbau», 1956, N 6.

15. Pahlitsch G., Eitzen H. J. Ober das Glattwalzen kreiszylindrischer Zapfen mit Durchmesser von 1,5 bis 5 im Einstechverfahren. «Werk-stattstechnik und Maschinenbau», 1957, N 47.

16. Tail by R. Roller-finishing the of Large Castings. «Machinery», L, 1955, v. 87, N2234.

17. Овсеенко A.H., Малолетнее А.Я., Остапенко B.A. Влияние дробеструйного и гидродробеструйного упрочнения на малоцикловую ударную усталость высокопрочной стали. Вестн. машиностроения, 1982, № 6, с. 35-37.

18. Степанов В.Г., Клестов М.И. Поверхностное упрочнение корпусных конструкций.-JI.: Судостроение, 1977.- 197 с.

19. Андрианов А.И. Прогрессивные методы технологии машиностроения.- М.: Машиностроение, 1975.- 240 с.

20. Дудкин А.Н. Влияние смазывающей среды на процессы дробеудар-ного упрочнения. Вестн. машиностроения, 1976, №2, с.79 -82.

21. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении.- М.: Машгиз, 1951.- 278 с.

22. Хамматов В.К., Шканов В.А. Наклеп сварных соединений гидродробеструйной обработкой. — Вестн. машиностроения, 1977, №4, с. 57 58.

23. Остапенко В.А., Малолетнев А.Я., Кулемин А.В. и др. Повышение сопротивления малоцикловой ударной усталости.- Вестн. машиностроения, 1982, №10, с. 42-43.

24. Муханов И.И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом. НТО Машпром. М.: Машиностроение, 1978. 44 с.

25. Коновалов Е.Г., Сидоренко В.А. Чистовая и упрочняющая ротационная обработка поверхностей.- Минск: Вышейш. шк., 1968.- 364 с.

26. Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов: Сб. науч. тр. Куйбышев: Куйбышев, политехи, ин-т, 1975.- 148 с.

27. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением.- М.; JL: Машиностроение, 1971.- 248 с.

28. Шнейдер Ю.Г. Регуляция микрорельефов поверхностей деталей машин.- Вестн. машиностроения, 1982, №5, с. 8 10.

29. Шестаков В.В., Крючков Л.П., Кузьмичев Б.П. Факторы, влияющие на степень поверхностного пластического упрочнения при обработке стальными шариками // Вестник машиностроения, 1984. №5, с. 67 68.

30. Хворостухин Л.А., Машков В.Н., Торпачев В.А. и др. Обработка металлопокрытий выглаживанием.- М.: Машиностроение, 1980.- 64 с.

31. Одинцов Л.Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживание и вибровыглаживанием.- М.: Машиностроение, 1981.- 160 с.

32. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием.- М.: Машиностроение, 2002. — 300 е., ил.

33. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972.104 с.

34. Яценко В.К., Зайцев Г.З. и др. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием. М.: Машиностроение, 1985. 232 с.

35. А.с. 1472171 СССР, МКИ4 В 21 J 13/02. Способ изготовления деталей и устройство для его осуществления / В.Н. Борисенко, В.А. Голенков, В.И. Пилюзин (СССР). № 4232479/31-27; Заявлено 16.03.87; Опубл. 15.05.89, Бюл. № 14. - 5 е.: ил.

36. Чепа П.А., Андрияшин В.А. Эксплуатационные свойства упрочненных деталей / Под ред. О.В. Берестиева. Минск: Наука и техника, 1988. 192 с.

37. Хейфец С.Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя при обкатке роликом стальных деталей // Труды ЦНИИТМАШ, кн. 49.у. М.: Машгиз, 1952. С.7 17.

38. Бабук В.В. Исследование распределения деформаций в поверхностном слое при обкатке деталей роликами // Машиностроение и приборостроение. Вып. 8. Минск: Вышейша школа, 1976. С.43 — 45.

39. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.- 541 с.

40. Морозов Е. М., Никишков Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. 256 с.

41. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Под ред. В. И. Мяченкова. М.: Машиностроение,1. Ч> 1989.-520 с.

42. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов М.: Мир,1979.

43. Метод конечных элементов в механике твердых тел /Под общей ред. А.С. Сахарова и И. Альтенбаха Киев: Biuja школа, 1982 - 480 с.

44. Бурман 3. И., Лукашенко В. И., Тимофеев М. Т. Расчет тонкостенных подкрепленных оболочек методом конечных элементов с применением ЭЦВМ Казань: Изд. КГУ, 1973 - 569 с.

45. Голенков В. А., Кондрашов В. И., Зыкова 3. П. Математическое моделирование процессов обработки материалов давлением. Учебное пособие. М:, Машиностроение, 1994 г.

46. Голенков В. А., Зыкова 3. П., Кондратов В. И., Тюков В. М. Моделирование и расчет процессов обработки материалов давлением. В сб.: Современные технологические и информационные процессы в машиностроении. Материалы международного семинара. Орел, 1993.

47. Качанов JI. М. Основы теории пластичности. -М.: Наука, 1969.

48. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяси Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М., "Машиностроение", 1969. 504 с.

49. Теория пластических деформаций металлов / Под общ. ред. Е. П. Унксова, А. Г. Овчинникова. М.: "Машиностроение", 1983. - 598 с.

50. Теория ковки и штамповки / Под общ. ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1992.

51. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984.- 144 с.

52. Друянов Б.А., Непершин Р.И. Теория технологической пластичности. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

53. Малинин Н.Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1979, 119 с.

54. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М: Машиностроение, 1975, 400 с.

55. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. М.: Машиностроение, 1987.

56. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1986. 720 с.

57. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: "Наука", 1980, Лейпциг: "Тойбнер", 1979.

58. Пат. 2163863 РФ, МКИ4 В 24 В 39/00. Способ упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / С.Ю. Радченко, В.А. Голенков, Г.П. Короткий и др. (РФ). № 99112171/02; Заявлено 08.06.1999;

59. Опубл. 10.03.2001, Бюл. № 7. 3 е.: ил.

60. Пат. 2131320 РФ, МКИ4 В 21 J 13/02; В 21 D 22/18. Матрица с составными роликами для штамповки с обкаткой. / В.А. Голенков, С.Ю. Рад-ченко, Г.П. Короткий. (РФ). № 97122190/02; Заявлено 30.12.1997; Опубл. 10.06.1999, Бюл. №16.-3 е.: ил.

61. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971.

62. Пат. 2162761 РФ, МКИ4 В 21 Н 1/06; В 21 D 22/30, 53/00. Способ изготовления втулок / В.Н. Борисенко, С.Ю. Радченко, Г.П. Короткий и др. (РФ). № 99107030/02; Заявлено 31.03.1999; Опубл. 10.02.2001, Бюл. № 13. -3 е.: ил.