Прикладная математика механика и процессы управления

Начальный участок OA диаграммы сдвига линейный, т.е. максимальные касательные напряжения max пропорциональны мак-

симальным углам сдвига max.

Закон пропорциональности, называемый законом Гука при

где G модуль сдвига упругая постоянная материала, характеризует сопротивление материала упругим деформациям.

Разрушение образцов из металлов при испытаниях на кручение может происходить путем среза или отрыва [2].

Библиографический список

1.Ильюшин А.А., Ленский В.С. Сопротивление материалов. –

М.: Физматгиз, 1959. – 372 с.

2.Экспериментальная механика / Б.В. Букеткин, А.А. Горбатовский, И.Д. Кисенко [и др.]; под ред. Р.К. Вафина, О.С. Нарайкина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 136 с.

3.Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности: учеб. пособие для студентов вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш.

шк., 1982. – 264 с.

4.Расчеты на прочность в машиностроении / С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев [и др.]; под ред. С.Д. Пономарева. – М.: Машиностроение, 1956. – Т. 1. – 884 с.

5.Бидерман В.Л., Бояршинов С.В., Лихарев К.К. Лабораторные работы по курсу «Сопротивление материалов» / под ред. С.Д. Пономарева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1960. – 187 с.

Об авторе

Хабарова Диана Вячеславовна (Пермь) – студентка ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: habarik28@mail.ru).

71

УДК 539.3

Н.А. Климов, А.А. Ширяев, Е.В. Кузнецова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ХРУПКИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Проводится обзор метода хрупких покрытий для определения НДС плоских деталей. Также рассматриваются свойства различных хрупких покрытий, подчеркиваются их преимущества и недостатки.

Ключевые слова: хрупкие тензочувствительные покрытия, напря- женно-деформированное состояние, напряжения, деформации.

N.A. Klimov, A.A. Shirjaev, E.V. Kuznetsova

Perm National Research Polytechnic University

THE USE OF BRITTLE COATINGS FOR RESEARCH

MODE OF DEFORMATION FLAT PARTS

In this article reviewed the method of brittle coatings for determining mode of deformation for the flat parts. It also discusses the properties of various coating brittle, emphasizing their advantages and disadvantages.

Keywords: fragile strain-sensing coating, mode of deformation, stresses, deformations.

Метод хрупких покрытий обеспечивает простой и непосредственный анализ большого класса различных практических задач, где не требуется высокая точность. Суть метода состоит в том, что покрытие с определенными характеристиками наносят на исследуемую поверхность. Соответствующая адгезия обеспечивает трансляцию деформаций, возникающих в объекте, к покрытию, которое под действием возникающего при этом поля напряжений разрушается и покрывается сеткой трещин. Поскольку предел прочности покрытия обычно значительно ниже этой же величины исследуемого материала, этот метод можно отнести к неразрушающим способам анализа [1].

72

Результатом испытаний является картина трещин в хрупком покрытии; при этом следует учитывать последовательность их возникновения во времени при увеличении нагрузки. Очевидно, что места наиболее раннего появления трещин выявляют наиболее напряженные зоны исследуемого объекта.

Измерения проводят путем визуального наблюдения образования и распространения трещин в покрытии при нагружении исследуемых объектов, также возможно использование фото- и видеофиксации. По мере увеличения нагрузки трещины распространяются от более напряженного к менее напряженному месту конструкции; при снятии нагрузки полученные в хрупком покрытии трещины остаются видимыми. Хрупкие покрытия позволяют при плавном или ступенчатом нагружении (разгрузке) исследуемой конструкции находить в нагруженных зонах свободной поверхности, включая места концентрации напряжений, главные деформации и напряжения с погрешностью в пределах 15 %, не применяя другие методы исследования. Измерение полей упругопластических деформаций проводят на отдельных участках поверхности с возможностью оценки напряжений с использованием диаграмм деформирования материала исследуемой детали. Для измерения динамических деформаций выполняют соответствующую градуировку покрытия по тензочувствительности в зависимости от скорости изменения деформаций во времени. Хрупкие покрытия могут также использоваться для индикации повреждений в конструкции в рабочих условиях. Метод особенно эффективен при испытаниях деталей и конструкций с большой неравномерностью поля напряжений на их поверхности.

Существующие типы хрупких покрытий обладают чувстви-

на стальных деталях появляются при напряжении 20–40 МПа. Тен-

зочувствительность покрытия увеличивается с ростом толщины. Чтобы уменьшить разброс чувствительности, необходимо наносить на деталь покрытие равномерной толщины. Наиболее приемлемая толщина покрытия 0,1–0,13 мм для получения стабильной тензочувствительности.

73

Величина тензочувствительности вычисляется по формуле

где п – напряжения, возникающие в материале покрытия; Eп , п –

модуль упругости и коэффициент Пуассона хрупкого покрытия;– коэффициент Пуассона образца.

Теоретический анализ метода хрупких покрытий, экспериментальные особенности измерений перемещений и деформаций представлены в коллективной монографии [2, 3] специалистов из США А. Дюрелли, Дж. Холла, Ф. Стерна, Дж. Дохерти, А. Кабаяси и др., которая представляет собой фундаментальное руководство по экспериментальным методам исследования напряженнодеформированного состояния конструкций.

Метод хрупких покрытийпозволяет решать следующие задачи:

–выявление зон, имеющих наибольшие деформации (напряжения), и малонагруженных зон;

–определение направлений главных деформаций (напряжений);

–проведение качественного анализа напряжений, возникающих в образце или детали.

Трещины в покрытии, появляющиеся первыми в процессе нагружения, указывают наиболее напряженные зоны на поверхности образца. Расположение и форма трещин позволяют определить направление наибольшего удлинения, перпендикулярное к линии распространения трещины. Метод хрупких покрытий дает возможность сделать вывод о характере распределения напряжений в образцах и деталях. Кроме того, он может быть использован для качественной характеристики остаточных напряжений. Для этого на поверхность наносится хрупкое покрытие высокой чувствительности и в исследуемых зонах сверлятся лунки диаметром 3 мм и глубиной 2–3 мм, обеспечивающие частичное устранение остаточных напряжений. Затем на поверхность наносят слой красного травителя. После удаления травителя в окрестности лунок в хрупком покрытии появляются трещины. В зависимости от характера снятых напряжений получается та или иная характерная картина трещин.

74

Исследование деформаций с помощью хрупких покрытий дает наглядное представление о распределении напряжений в нагруженном образце или детали и позволяет выяснить наиболее напряженные места.

Вкачестве основного материала для хрупких тензочувствительных покрытий чаще всего используется сосновая подсадочная канифоль. Как хрупкое покрытие, канифоль может быть использована в чистом виде либо с введением различных добавок, улучшающих свойства покрытия. Так были созданы покрытия из канифоли, обработанной окисью цинка или окисью бария, растворенной

всероуглероде. К этому типу относятся покрытия «стресскот» и ИМАШ, разработанные в Институте машиноведения. Эти покрытия обладают стабильностью по тензочувствительности, однако огнеопасность и токсичность их существенно затрудняют применение покрытий на сероуглероде. Покрытия канифольного типа, наносимые газопламенным напылением, свободны от этих недостатков, но имеют ограничения по климатическим условиям испытаний (температура от +5 до +40 °C) и малым колебаниям температуры (±3 °C) и влажности. Для измерений при температурах от –200 до +200 °C и в присутствии влаги используют оксидные наклеиваемые покрытия. Эмалевые покрытия, оплавляемые на детали, применяют для исследования изделий из термопрочных сталей при высоких температурах (до +400 °C). Новый тип тензочувствительного покрытия «тензлак» (фирма «Вишей», США), в аэрозольной упаковке позволяет проводить измерения при температурах от 0 до +40 °C, имеет примерно те же характеристики тензочувствительности, что и покрытие «стресскот», но не является токсичным и огнеопасным.

Вработах Н.И. Пригоровского и В.К. Панских рассмотрены результаты исследований по разработке и применению новых типов хрупких тензочувствительных покрытий для исследования деформаций и напряжений [4–7]. Даны основные теоретические положения применения метода, характеристики типов тензочувствительных покрытий в различных условиях испытаний, техника экспериментов. Показано эффективное использование метода, который позволяет при различных видах нагружения в условиях де-

75

формирования проводить оценку величин деформаций и напряжений с установлением наиболее напряженных зон и направлений главных напряжений.

Библиографический список

1. Сурсяков. В.А. Исследование деформаций с помощью метода хрупких покрытий: метод. разработка / Перм. гос. техн.

ун-т. – Пермь, 2002. – 12 с.

2. Экспериментальная механика: пер. с англ. / под ред.

А. Кобаяси. – М.: Мир, 1990. – Кн. 1. – 616 с.; Кн. 2. – 552 с.

3.Kobayashi A.S., Emery A.F., Liaw B.M. Dynamic fracture of three specimens: fract. mech. – 1983. – 265 р.

4.Пригоровский Н.И., Забугина Н.А., Безходарная Л.В. Хрупкие лаковые покрытия для исследования напряжений в деталях машин и конструкциях. – М.: Изд-во ИТЭИ АН СССР, 1956. – 36 с.

5.Пригоровский Н.И., Панских В.К. Метод хрупких тензочувствительных покрытий. – М.: Наука, 1978. – 183 с.

6.Пригоровский Н.И., Панских В.К., Муратов В.В., Мерзлюк В.В. Методы исследования напряжений в конструкциях. – М.:

Наука, 1976. – 86 с.

7.Тензочувствительные покрытия при стендовых испытаниях конструкций / Н.И. Пригоровский, В.К. Панских, А.И. Ставицкий [и др.]. – М.: Машиноведение, 1984. – 58 с.

Об авторах

Климов Никита Андреевич (Пермь) – магистрант кафедры динамики и прочности машин ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990,

г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: nikita-kl@yandex.ru).

Ширяев Алексей Александрович (Пермь) – магистрант ка-

федры динамики и прочности машин ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990,

г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: alex_sh_23-1@mail.ru).

Кузнецова Елена Владимировна (Пермь) – доцент кафедры динамики и прочности машин ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990,

г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: mellen75@mail.ru).

76

УДК 621.77

Е.В. Кузнецова, Е.С. Елистратова, Д.В. Виндокуров, Р.И. Самоходкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРЕДЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ С УЧЕТОМ ТЕРМОУПРУГИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Рассмотрены вопросы оптимизации процессов резания из условий сохранения формы и геометрических параметров, а также минимизации остаточных напряжений, возникающих после прохождения режущего инструмента Компоненты тензора напряжений в термоупругом состоянии детали зависят от функции температуры, которая, в свою очередь, зависит от основных параметров механической обработки: характеристик режущего инструмента, скорости резания, подачи, глубины резания, а также свойств обрабатываемого материала, а значит, для различных форм металлоизделий можно найти предельные режимы резания, превышение которых недопустимо, так как это приведет к выходу материала за предел упругости, что может вызвать нежелательные коробления, изменение формы, потерю работоспособности готовой детали.

Ключевые слова: оптимизация процессов резания, остаточные напряжения, функции температуры, предельные режимы резания, коробления, изменение формы, потеря работоспособности.

E.V. Kuznetsova, E.S. Elistratova,

D.V. Vindokurov, R.I. Samokhodkin

Perm National Research Polytechnic University

LIMIT CUTTING CONDITIONS

BASED ON THERMOELASTIC RESIDUAL STRESSES

This work deals with the optimization of cutting processes from the conditions of form preservation and geometric parameters, as well as minimization of residual stresses arising after the passing of the cutting tool. Components of the stress tensor in the thermoelastic state of the detail depend on the temperature function, which in turn depends on the basic parameters of mechanical restoration – characteristics of the cutting tools, the speed of the cutting, cutting feed, depth of cut, and the properties of the processed material, and thus – limits of the cutting conditions can be found for various forms of metal pro-

77

ducts, the excess of this limits is inadmissible, since it would lead to the exit of the material beyond the elastic limit, which may cause unwanted warpage, change of form, loss of efficiency of the finished part.

Keywords: optimization of cutting processes, residual stresses, temperature function, limit cutting mode, warpage, change of form, loss of efficiency.

При изготовлении металлоизделий применяются различные технологические операции резания: точение, фрезерование, шлифование и т.д., целью которых является придание деталям желаемой формы и устранение шероховатостей поверхности [2]. При этом формообразование достигается путем снятия стружки при относительном перемещении инструмента и заготовки (обрабатываемой детали), т.е. происходит разрушение поверхностных слоев обрабатываемого материала, сопровождающееся рядом фи- зико-химических явлений. В зоне резания возникает неоднородное температурное поле. Имеют место сложная схема распространения тепловых потоков и особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали. Трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. В деформированном объеме возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуются шероховатости, а в поверхностном слое детали происходит изменение текстуры, структуры и всех теплофизических и электрофизических свойств.

Важной характеристикой физического состояния поверхностного слоя являются величина и знак остаточных напряжений [3]. Остаточные напряжения при резании металлов образуются в основном в результате значительного нагрева поверхностных слоев. При нагреве тепло идет от поверхности внутрь детали, верхние слои стремятся удлиниться, но этому оказывают сопротивление нижние, более холодные слои, и в поверхностном слое появляются напряжения сжатия. При достаточно интенсивном нагреве эти напряжения могут превзойти предел текучести и поверхностные слои окажутся пластически сжатыми. При охлаждении во внутренних

78

слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а на поверхности – напряжения растяжения.

Для сохранения формы и геометрических параметров детали необходимо оптимизировать процесс резания так, чтобы после прохода режущего инструмента остаточные напряжения на поверхности детали не превышали предела текучести обрабатываемого материала. Компоненты тензора напряжений в термоупругом состоянии детали зависят от функции температуры, которая, в свою очередь, зависит от основных параметров механической обработки: характеристик режущего инструмента, скорости резания, подачи, глубины резания, а также свойств обрабатываемого материала.

Таким образом, для различных форм металлоизделий можно найти предельные режимы резания, превышение которых недопустимо, так как это приведет к выходу материала за предел упругости, что может вызвать нежелательные коробления, изменение формы, потерю работоспособности готовой детали.

Библиографический список

1. Temperature conditions and models of formation of residual stresses in wiredrawing / G.L. Kolmogorov, E.V. Kuznetsova, N.A. Kosheleva, T.V. Chernova // Russian Journal of Non Ferrous Metals. – 2011. – Vol. 52, № 3. – P. 227–229.

2.Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки / В.А. Кривоухов, П.Г. Петруха, Б.Е. Бруштейн, С.В. Егоров [и др.]. – М.: Машиностроение, 1974. – 616 с.

3.Вишняков Я.Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. – М.: Металлургия, 1989. – 254 с.

Об авторах

Кузнецова Елена Владимировна (Пермь) – доцент кафедры динамики и прочности машин ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990,

г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: mellen75@mail.ru).

Елистратова Екатерина Сергеевна (Пермь) – студентка ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dpm@pstu.ru).

79

Виндокуров Денис Владимирович (Пермь) – студент ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dpm@pstu.ru).

Самоходкин Роман Ильич (Пермь) – студент ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dpm@pstu.ru).

80