Введение к работе
Актуальность работы. В изделиях машиностроения широко используются детали типа валов и осей. Они являются ведущими элементами в металлорежущих станках, транспортной технике, технологических машинах, в судовых установках и многих других технических системах. От их надежности зависит работоспособность отдельных узлов и конструкции в целом.
При эксплуатации такие детали должны соответствовать не только условиям прочности, но и жесткости. Перемещения, возникающие при работе валов, оказывают существенное влияние на их работоспособность и сопряженных с ними деталей (подшипников, зубчатых колес, муфт), а также на точность работы узлов, например, шпинделей в металлообрабатывающих станках.
Конструкторы и технологии особое внимание уделяют маложестким валам, которые служат для передачи крутящих моментов на достаточно большие расстояния в пределах конструкции. Снижение материалоемкости таких деталей осуществляется в основном за счет уменьшения поперечного сечения. Однако тонкий и длинный стержень имеет низкую устойчивость при действии продольной силы и малую жесткость при действии поперечной нагрузки. Малая изгибная жесткость стержневых деталей вызывает серьезные проблемы при их обработке и сборке, поэтому такие детали обычно являются нетехнологичными.
При вращении длинномерные валы под действием центробежных сил изгибаются даже от собственного веса. Повысить изгибную жесткость деталей типа валов и осей весьма сложно. Практически такие вопросы решают конструктивными мерами, например, повышают количество промежуточных опор.
Среди факторов, которые влияют на жесткость стержневых деталей, можно отметить температуру и физические свойства материала. Исследования, выполненные В.Я. Герасимовым, В.А. Комаровым, И. Реслером, В.С. Смирновым, Я.Б. Фридманом, Х. Хардерсом и другими, показали весьма слабое влияние температуры и модуля упругости материала на изменение конструктивной жесткости деталей.
В инженерной практике известны некоторые примеры повышения жесткости металлических изделий за счет приложения растягивающих нагрузок (натяжение музыкальных струн, натяжение строительной арматуры и др.). В реальных деталях машин использовать внешнее растягивающее усилие весьма сложно. Однако можно воспользоваться технологическими остаточными напряжениями первого рода, которые распределяются по объему деформированного тела. Актуальной задачей данной работы является проведение углубленного научного исследования по влиянию остаточных напряжений на изгибную жесткость длинномерных валов и разработка эффективной упрочняющей технологии для их формирования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка технологии поверхностного пластического деформирования (ППД), обеспечивающей формирование рациональных полей остаточных напряжений, повышающих изгибную жесткость длинномерных цилиндрических деталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа литературных источников выявить факторы,
влияющие на изгибную жесткость цилиндрических деталей типа валов,
осей, штанг.
-
Разработать эффективную технологию определения объемных полей остаточных напряжений и внутреннего трения в цилиндрических телах.
-
Разработать методику конечно-элементного моделирования на базе программного комплекса ANSYS, позволяющую определять деформированное состояние заготовки при поперечном изгибе при наличии остаточных напряжений.
-
На основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований выбрать способ поверхностного пластического деформирования, обеспечивающий необходимый уровень распределения остаточных напряжений, повышающих изгибную жесткость длинномерных валов.
5. Определить оптимальные параметры охватывающего поверхност
ного пластического деформирования для повышения изгибной жесткости
цилиндрических деталей.
6. Оценить качество деталей и их работоспособность после обработки
поверхностным пластическим деформированием.
Научная новизна работы:
-
Предложен способ повышения изгибной жесткости длинномерных цилиндрических деталей за счет формирования технологических остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании.
-
Установлена закономерность распределения остаточных напряжений по сечению цилиндрических деталей и глубина поверхностного слоя с напряжением сжатия, при которых обеспечивается максимальная жесткость валов.
-
Обоснован экспериментально и подтвержден численным расчетом способ поверхностного пластического деформирования, реализующий схему осесимметричного нагружения на ограниченной длине детали.
Теоретическая значимость. Установлена деформирующая способность остаточных напряжений растяжения, обеспечивающая повышение изгибной жесткости стержневых деталей типа валов и осей.
Практическая значимость:
– Разработана технология охватывающего поверхностного пластического деформирования и определены режимы обработки, обеспечивающие
повышение изгибной жесткости цилиндрических деталей.
- Предложена технология оценки изгибной жесткости длинномерных
цилиндрических изделий по результатам оценки затухающих колебаний.
Методы исследования и достоверность результатов. Экспериментальные исследования проведены с использованием современных средств измерения:
для определения остаточных напряжений на поверхности валов использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000 G3/G3R;
затухание колебания вала замерено с помощью лазерного виброметра Polytec ofv-5000;
для измерения твердости упрочненных деталей использован стационарный универсальный твердомер HBRV - 187.5;
измерение шероховатости цилиндрических валов проведено на измерительном приборе FORM TALYS-URF 1200.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью выбранных методов исследования, применением известных численных методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы изложены на восьмой Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2015 г.); на всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Жизненный цикл конструкционных материалов» (Иркутск, 2014-2015 гг.); на первой Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (Калининград, 2015 г.); на всероссийских научно-технических конференциях «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 2015-2016 гг.); на шестнадцатой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2016 г.). Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс ИРНИТУ по направлению «Машиностроение».
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ повышения изгибной жесткости длинномерных цилиндрических деталей за счет формирования технологических остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании.
Результаты моделирования и численного расчета изгибной жесткости длинномерных валов.
Методика экспериментального определения остаточных напряжений и внутреннего трения в цилиндрических деталях.
Технологические режимы поверхностного пластического деформирования, обеспечивающие повышение изгибной жесткости валов.
Технологические рекомендации по повышению жесткости длинномерных деталей типа валов.
Публикации. Результаты работы отражены в 15 публикациях. Из них в журналах рекомендуемого перечня ВАК и SCOPUS опубликовано 10 статей.
Личный вклад автора. Предложена численная модель длинномерного вала с технологическими остаточными напряжениями, реализована методика оценки изгибной жесткости валов в зависимости от характера распределения остаточных напряжений, выполнены экспериментальные исследования, проведен анализ и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы и положения, выносимые на защиту.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 135 наименований источников. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков и 4 таблицы.