Спецвопрос___Применение метода ГДО при упрочнении ступени вала (1)

Р.С. КОЗЫРЕВ

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГИДРОДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ УПРОЧНЕНИИ ВАЛА

Специальный вопрос

2025

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представленный материал является частью выпускной квалификационной работы по направлению 15.03.05 (конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств), в основу которого легли научные статьи (РИНЦ), опубликованные в соавторстве в 2023-2025 гг., а также литература, приведенная в библиографическом списке.

Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату технических наук Д.М. Шишкину за постановку задачи, консультации и поддержку работы.

3

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) является распространенным и эффективным методом повышения усталостной прочности, износостойкости и долговечности деталей, поверхностный слой которых воспринимает бо́льшую часть эксплуатационной нагрузки.

Метод ППД основан на принципе образования сжимающих остаточных напряжений (ОН) и пластических деформаций (ПД) в приповерхностном слое обрабатываемых деталей машиностроения. Толщина такого упрочненного слоя варьируется от 100 до 1600 мкм в зависимости от способа обработки.

В качестве механической обработки метод поверхностного пластического деформирования широко применяется в автомобилестроении (обработка поверхностей деталей двигателей, систем трансмиссии), строительном проектировании (антикоррозионная обработка стальных конструкций), аэрокосмической промышленности (обработка поверхности деталей узлов авиационных двигателей и конструкции фюзеляжа) и т.д.

Основной задачей научно-исследовательской работы является обоснование целесообразности применения гидродробеструйной обработки (как метода ППД) к наиболее нагруженной ступени детали «Вал ведомый». Следует отметить, что вал был спроектирован в рамках курсового проекта по предмету «Детали машин и основы конструирования» (см. приложение А).

Целями данной работы также являются:

−Подробное изучение математической модели феноменологического метода расчета полей остаточных напряжений и пластических деформаций.

−Определение нагрузок суммарных изгибающих Σ и крутящего кр

моментов, действующих на деталь в опасном сечении.

−Получение собственных параметров аппроксимации для упрочненного слоя ступени вала, необходимых для оценки остаточных напряжений и пластических деформаций при имитационном моделировании.

−Реализация численного моделирования в конечно-элементной среде

ANSYS Mechanical APDL.

−Проведение сравнительного анализа полученных результатов с данными эксперимента.

4

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЙ

Дробеструйное упрочнение - технологический процесс, при котором поверхности деталей обстреливаются твердыми частицами (дробью). Такая обработка проводится как сухой дробью, так и с применением эмульсионных жидкостей. Равномерный слой с ОН формируется в результате неоднократно повторяющихся микроударов мелкой дроби об обрабатываемую поверхность.

Многочисленный анализ существующих научных работ показывает, что упрочнение методом ППД более эффективно для деталей с концентраторами напряжений, нежели для гладких образцов. В частности, в работе [1] эффективность гидродробеструйной обработки (ГДО) для разных материалов оценивалась по полученным экспериментальным данным.

Точением с последующей шлифовальной операцией были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 10 мм из сталей 30ХГСА, 12Х18Н10Т, ЭИ961, 45, сплавов ЭИ437Б, В93 и диаметром 7,5 мм из стали ЭИ961. Далее эти образцы подвергались ГДО с последующим анализом полученных механических характеристик (таблицы 1 и 2).

В работе [1, стр. 10] подробно изложена методика определения остаточных напряжений в образцах и деталях с надрезами в качестве концентраторов напряжений. Кривые ОН после гидродробеструйной обработки в гладких образцах и образцах с надрезом полукруглого профиля 0 = 0,3 мм изображены на рисунке 1.

а б

Рисунок 1. − Остаточные напряжения после ГДО в гладких образцах (а), образцах с надрезом (б): 1 - ЗОХГСА, 2 - 12Х18Н1ОТ, 3 - ЭИ961, 4 - сталь 45, 5

- ЭИ437Б, 6 - В93

Среди представленных из работы [1] результатов для различных материалов испытываемых поверхностно упрочненных цилиндрических образцов можно увидеть, что интенсивность сжимающих ОН в пределах толщины упрочненного слоя a = 0,3 мм в телах с концентраторами напряжений (рис. 1, а) значительно выше, чем в аналогичных гладких телах (рис. 1, б). Для спроектированной детали тихоходной ступени редуктора «Вал ведомый», изготовленной из стали 45, данное примечание также имеет место. В частности, кривая 4 на рисунке 1 демонстрирует экстремальное (по модулю) значение остаточных напряжений сжатия для гладкой структуры упрочненной поверхности образца, равное −230 МПа, а для упрочненного образца с надрезом ― −520 МПа соответственно.

Данные результаты авторов в работе [21] будут использованы в дальнейшем при оценке эффективности упрочнения ступени рассматриваемой детали «Вал ведомый» в месте наличия технологического концентратора напряжений в виде канавки.

6

2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОЛЕЙ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

Данный метод основан на работе [5], который предназначен для оценки начального напряженно-деформированного состояния (НДС) гладкого образца или детали цилиндрической формы после поверхностного упрочнения методом ППД расчетным способом на основе известной из эксперимента кривой компоненты ОН, распределенной в пределах толщины упрочненного слоя (как, например, это приведено на рис. 1). Данный подход имеет ряд предположений.

Так, например, предполагается схожесть природы распределения пластических деформаций в упрочненном слое цилиндрического изделия и в полуплоскости. Обуславливается предположение тем, что сам процесс наведения в материале остаточных деформаций может осуществляться поразному. В частности, рассматривая ГДО с условием обстрела поверхности детали по нормали к ней, образующиеся в упрочненном слое деформации, скорее всего будут наводиться так же, как и в полупространстве. Вдобавок, стоит отметить факт малости касательных остаточных напряжений по сравнению с нормальными напряжениями, а также отсутствие вторичных ПД при сжатии.

В качестве системы координат вводится стандартная цилиндрическая (, , ). Окружные, радиальные и осевые компоненты тензора ОН обозначаются

через , , соответственно.

В силу того, что для многих тел вращения можно рассмотреть задачу в осесимметричной постановке (задача теории упругости, в которой компоненты тензоров напряжений и деформаций в цилиндрической системе координат, а также радиальные перемещения являются функциями только одной координаты - полярного радиуса), компоненты ОН в цилиндрической системе координат будут зависеть от радиальной координаты , ввиду чего примут вид:

информации об экспериментально измеренном напряжении ( ).

Запишем уравнение равновесия напряженно-деформированного состояния для цилиндрического образца (линейное ОДУ первого порядка):

Умножая на и с учетом того, что в нашем случае ( ) = , ( ) = ( )

тогда приравняв полученное соотношение к (1) имеем

Интегрируя обе части по в пределах от нуля до , где - радиус цилиндрического образца, получаем

напряжения в цилиндрическом образце равны нулю при отсутствии действующих сил на его поверхность в радиальном направлении. Иными словами, цилиндрический образец находится в естественном ненагруженном

том, что значение радиальных напряжений будет увеличиваться при стремлении радиуса к началу координат → 0

Запишем уравнение совместности деформаций [2]

8

Ранее было выдвинуто предположение, что характер распределения пластических деформаций по глубине упрочненного слоя цилиндрического образца такой же, как и в случае с полупространством. Математически, это говорит о связи компонент тензора остаточных пластических деформаций соотношением вида ( ) = ( ), где и - осевая и окружная компоненты тензора остаточных пластических деформаций, - феноменологический параметр, который в случае изотропного упрочнения поверхности в направлениях осей и (пневмо - и гидродробеструйная обработка) равен единице [3]. С учетом условия несжимаемости при пластическом деформировании имеем систему

Подставляя данное выражение в (8) получим уравнение для окружной компоненты

где − коэффициент Пуассона;− модуль Юнга для рассматриваемого материала.

дополнительная гипотеза о плоских сечениях в цилиндрическом образце, которая говорит о том, что плоские поперечные сечения цилиндрического образца до упрочнения остаются плоскими и после упрочнения, что характерно для не слишком коротких цилиндров. Составим систему, воспользовавшись условием (5) для полной деформации (в направлении ) цилиндрического образца после поверхностного упрочнения и законом Гука по аналогии с (12)

Учитывая эту же подстановку для второго уравнения (12) в конечном итоге выражения для тензоров упругих деформаций

В правой части преобразуем производную по . Подставим выражение для 0

из (15) под знак дифференциала с учетом условия 0 = const

10