Наукові основи технологічного управління мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 621.919

Наукові основи технологічного УПРАВЛІННЯ мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ШЕЙКІН СЕРГІЙ ЄВГЕНОВИЧ

Київ - 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля Національної академії наук України.

Науковий консультант: Розенберг Олег Олександрович, заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач відділом.

Офіційні опоненти: Киричок Петро Олексійович, доктор технічних наук, професор. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”.

Директор Видавничо-поліграфічного інституту, завідувач кафедрою “Технологія поліграфічного виробництва” Посвятенко Едуард Карпович доктор технічних наук, професор. Національний транспортний університет,

професор кафедри “Виробництво, ремонт та матеріалознавство”. Сивак Іван Онуфрійович, доктор технічних наук, професор. Вінницький національний технічний університет Завідувач кафедрою “Технологія й автоматизація машинобудування”.

Захист відбудеться 18.03.2008 р. о 15⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.11 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, Корпус 1, ауд. № 214.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 11.02. 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Майборода В.С.



АНОТАЦІЯ

шейкін С. є. Наукові основи технологічного управління мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.02.08 - Технологія машинобудування. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. Київ, 2007. - Рукопис.

У дисертації вирішена науково-технічна проблема, що полягає в розробці наукових основ технологічного управління мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні.

На підставі результатів, отриманих при дослідженні закономірностей деформування мікронерівностей, а також на основі аналізу впливу характеру НДС на технологічну спадщину й ступінь використання ресурсу пластичності при деформуючому протягуванні розроблено математичні моделі для визначення технологічних режимів процесу виходячи з вимог до висоти мікронерівностей, глибини, твердості й ресурсу залишкової пластичності шару деформаційного зміцнення. Розроблено математичні моделі, які враховують технологічну спадковість попередніх операцій механічної обробки й дозволяють визначати технологічні режими виходячи з вимог до параметрів поверхневого шару при деформуючому протягуванні деталей з кінцевою товщиною стінки.

Ключові слова: напружено-деформований стан, використаний ресурс пластичності, локальна пластична деформація, шорсткість, мікротвердість, накопичена деформація. математичний механічний деталь деформуючий



SUMMARY

SHEYKIN S. YE. Scientific bases of the technological direct of surface microrelief and surface layer hardening at the deforming broaching. Thesis on deriving of the doctor of technical science degree on a specialty 05.02.08 - Machine-building technology. - National Technical University of Ukraine “the Kiev Polytechnical Institute”. Kiev, 2007. - Manuscript.

The scientific and technical problem is solved in the thesis. It deals with the development of the scientific bases of the technological direct of the surface microrelief and surface layer hardening at the deforming broaching.

The deforming mechanism of microroughness and the influence of the stress-strain state character on the technological heredity and the used plasticity resource at the deforming broaching of the pieces with the infinite wall thickness is investigated. The mathematical models for the determination of the technological regimes of the process are created. They are created proceeding from the requirements of the depth, hardness and the used plasticity resource of the surface layer.

The mathematical models for determination of the depth, hardness and the used plasticity resource of the surface layer at the deforming broaching of finite wall thickness pieces takes into consideration the heredity of the previous operations of the mechanical machining.

The key words: the stress-strain state, the used plasticity resource, the local plasticity deformation, roughness, microhardness, stored deformation.



АННОТАЦИЯ

шЕЙКиН С. Е. Научные основы технологического управления микрорельефом поверхности и упрочнением поверхностного слоя при деформирующем протягивании. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. Киев, 2007. - Рукопись.

В диссертации решена научно-техническая проблема, которая заключается в разработке научных основ технологического управления микрорельефом поверхности и упрочнением поверхностного слоя при деформирующем протягивании.

Исследованиями смятия микронеровностей, выполненными на моделях в виде крешеров различных форм из различных материалов, выявлены закономерности деформирования микронеровностей при количестве циклов обработки до 2-х.

Анализом контактных явлений в зоне взаимодействия инструмента и обрабатываемого изделия выявлены основные факторы, определяющие формирование микрорельефа при обработке многоэлементными деформирующими протяжками. Определен критерий подобия, значения которого корелируют с величиной относительной шероховатости обработанной поверхности. Обработкой экспериментальных данных получена зависимость относительной высоты микронеровностей от значений критерия подобия.

На основе полученных результатов разработаны математические модели, которые могут быть использованы для расчетов технологических режимов деформирующего протягивания исходя из требований к высоте микронеровностей на этапе проектирования технологической операции.

Для получения математических моделей для расчета технологических режимов деформирующего протягивания деталей с бесконечной толщиной стенки исходя из технических требований к глубине и твердости слоя деформационного упрочнения, а также ресурсу использованной пластичности методом делительных сеток выполнено исследование деформированного состояния зоны локального пластического деформирования. Скорости установившегося течения рассчитывались с учетом деформаций линий обоих ортогональных семейств линий делительной сетки. Получена зависимость накопленной деформации от относительной глубины слоя деформационного упрочнения.

Напряженное состояние зоны локального пластического деформирования при обработке деталей с бесконечной толщиной стенки исследовали методом измерения твердости. Анализом экспериментальных данных установлено, что распределение интенсивности напряжений по глубине поверхностного слоя может быть описано полиномом третьей степени. Для исследования влияния технологических режимов на характер НДС применена расчетная схема, соответствующая вдавливанию жесткого штампа в пластически неоднородное полупространство с известным распределением интенсивности напряжений по глубине.

На основе результатов исследования влияния характера НДС на технологическое наследие и степень использования ресурса пластичности разработаны математические модели для определения технологических режимов процесса исходя из требований к глубине, твердости и ресурсу использованной пластичности поверхностного слоя при деформирующем протягивании деталей с бесконечной толщиной стенки.

Исследованием зоны контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью установлено, что закономерности формирования очага локальной пластической деформации при обработке деталей с бесконечной и конечной толщинами стенки идентичны. Вследствие этого закономерности, установленные при обработке деталей с бесконечной толщиной стенки, могут быть применены для описания механики формирования поверхностного слоя при обработке деталей с конечной толщиной стенки. Разработаны математические модели, позволяющие производить расчет технологических режимов процесса исходя из требований к глубине, твердости и ресурсу использованной пластичности поверхностного слоя при деформирующем протягивании деталей с конечной толщиной стенки. Установлены граничные условия применения разработанных моделей. Получены эмпирические зависимости для расчета глубины слоя деформационного упрочнения для условий обработки за пределами, оговоренными граничными условиями и учитывающие технологическую наследственность предыдущих операций механической обработки.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, использованный ресурс пластичности, локальная пластическая деформация, шероховатость, микротвердость, накопленная деформация.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У наш час надійність і довговічність деталей машин мають винятково важливе значення. У більшості випадків їхнє руйнування починається з поверхні (зношування, втома, контактне руйнування й ін.). Це багато в чому пояснюється низькими службовими властивостями поверхневого шару.

Застосування методів холодного пластичного деформування (ХПД) є ефективним способом підвищення довговічності деталей машин. Наприклад, поверхневе пластичне деформування (ППД) забезпечує одержання шару деформаційного зміцнення, низькі значення висоти мікронерівностей і великі значення відносної опорної довжини профілю обробленої поверхні, що сприяє підвищенню міцності при циклічному навантаженні й опору зношуванню.

Раніше проведеними різними авторами дослідженнями встановлені основні закономірності формування мікрорельєфу в процесах ХПД. Однак отримані результати не дають можливості визначати параметри шорсткості оброблюваної поверхні при деформуючому протягуванні на стадії проектування технологічної операції. Причиною тому є складність і різноманітність явищ у зоні контакту інструменту й оброблюваної деталі, а також велика кількість впливаючих факторів.

Результати, отримані проф. Розенбергом О. М., Розенбергом О. О., Проскуряковим Ю. Г., Кузнєцовим В. А., Монченко В. П. при експериментальному дослідженні деформаційного зміцнення поверхневого шару дозволяють прогнозувати параметри зміцнення лише якісно.

З експериментально-теоретичних робіт у цьому напрямку необхідно виділити дослідження, виконані з застосуванням методу візіопластичності під керівництвом проф. Деля Г. Д., а також роботи проф. Цеханова Ю. А. Однак метод, застосований проф. Делем Г. Д., внаслідок малих деформацій ділильних сіток не забезпечує високу точність результатів.

Математичні моделі, що описують деформований стан поверхневого шару, отримані проф. Цехановим Ю. А., побудовані в припущенні, що розподіл мікротвердості в деформованому поверхневому шарі носить лінійний характер, що не підтверджується експериментальними дослідженнями.

Таким чином, отримані раніше результати не дають можливості визначати з необхідною точністю параметри стану поверхневого шару оброблюваної деталі на стадії проектування технологічної операції. Внаслідок цього дослідження, спрямовані на створення наукових основ технологічного управління мікрорельєфом оброблюваної поверхні та зміцненням поверхневого шару деталей при деформуючому протягуванні, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з фундаментальними і науково-дослідних роботами, які виконувались в ІНМ НАН України: тема “Комп'ютерне прогнозування ресурсу пластичності при холодному пластичному деформуванні за схемою немонотонного навантаження крутозігнутих трубчастих виробів” № держ. реєстрації 0198U004582, тема “Обґрунтування вибору оптимальної теоретичної моделі розрахункової оцінки впливу параметрів холодного деформуючого протягування на стан поверхні трубчастих металовиробів”, № держ. реєстрації 0198U007083, а також договір 3888 з Інститутом проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевіча “Розробка технологічної схеми обробки й виготовлення трубних заготовок інтенсивним холодним пластичним деформуванням з метою отримання дрібнодисперсних градієнтних структур” № держ. реєстрації 0103U006867.

Мета роботи і завдання дослідження: забезпечення експлуатаційних характеристик оброблюваної деталі на основі розробки наукових основ технологічного управління мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Аналіз методів дослідження формування мікронерівностей оброблюваної поверхні й шару деформаційного зміцнення в процесах ХПД, оцінити їхню точність й ефективність.

2. Розробку нових й вдосконалення відомих методів дослідження закономірностей зминання мікронерівностей, коефіцієнта тертя по Кулону в процесі деформуючого протягування, вдосконалення методики дослідження деформованого стану поверхневого шару методом ділильних сіток.

3. Дослідження закономірностей деформування мікронерівностей оброблюваної поверхні, розроблення на їхній основі математичних моделей, що дозволяють управляти висотою мікронерівностей при деформуючому протягуванні.

4. Дослідження НДС зони локальної пластичної деформації при обробці деталей з нескінченною товщиною стінки, вплив на нього технологічних режимів. Розроблення математичної моделі управління параметрами деформаційного зміцнення й пластичності поверхневого шару.

5. Дослідження впливу технологічних режимів й шорсткості на формування локальної зони пластичної деформації в контакті інструменту з оброблюваним виробом при деформуючому протягуванні деталей з кінцевою товщиною стінки. Розробка математичних моделей управління параметрами деформаційного зміцнення й пластичності поверхневого шару.

6. Розробку алгоритмів та методик розрахунку технологічних режимів деформуючого протягування, які забезпечують висоту мікронерівностей обробленої поверхні, твердість, глибину й пластичність шару деформаційного зміцнення у відповідності до технічних вимог.

7. Проведення виробничих випробувань отриманих наукових результатів й впровадження їх у виробництво.

Об'єктом дослідження є оброблена поверхня й поверхневий шар оброблюваної деталі при деформуючому протягуванні деталей з нескінченною й кінцевою товщиною стінок.

Предмет дослідження: мікрорельєф оброблюваної поверхні, характеристики шару деформаційного зміцнення.

Методологія й методи досліджень

Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення процесу особливостей і закономірностей формування мікрорельєфу й шару деформаційного зміцнення при деформуючому протягуванні.

Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії пластичності.

В експериментальних дослідженнях використані методи кореляційного аналізу й математичної статистики.

Робота виконувалася із застосуванням сучасних методів обчислювальної техніки.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше створені наукові основи технологічного управління мікрорельєфом поверхні та зміцненням поверхневого шару при деформуючому протягуванні деталей, які полягають в розробці математичних моделей, що дозволяють:

- управляти висотою мікронерівностей обробленої поверхні, при деформуючому протягуванні;

- управляти параметрами деформаційного зміцнення поверхневого шару (мікротвердість, глибина) виходячи з того, що розподіл інтенсивності напруг по глибині поверхневого шару має нелінійний характер;

- управляти величиною використаного ресурсу пластичності в поверхневому шарі при обробці деталей різної товстостінності;

2. Встановлено, що при деформуючому протягуванні з кількістю циклів деформування до 2-х висота мікронерівностей залежить лише від механічних характеристик оброблюваного металу й середнього контактного тиску на контактних поверхнях. При кількості циклів обробки більше 2-х висоту мікронерівностей обробленої поверхні визначає також сумарна питома робота тертя на контактних поверхнях.

3. Вперше виявлені закономірності впливу технологічних факторів процесу (робочого кута інструменту, кількості циклів деформування) за умови нелінійної зміни інтенсивності напруг по глибині поверхневого шару на НДС локальної області пластичного деформування й, як наслідок, мікротвердість, глибину, використаний ресурс пластичності шару деформаційного зміцнення при деформуючому протягуванні деталей з нескінченною товщиною стінки.

4. Вперше встановлено, що при обробці деталей з кінцевою товщиною стінки форма зони локального пластичного деформування відповідає схемі, що має місце при обробці заготовки з нескінченною товщиною стінки. У цих умовах закономірності механіки формування зміцненого поверхневого шару деталей з кінцевою товщиною стінки відповідають встановленим закономірностям при обробці деталей з нескінченною товщиною стінки.

Практичне значення отриманих результатів

Результати, отримані в роботі, дозволили розробити інженерні методики визначення технологічних режимів операції деформуючого протягування на стадії проектування технологічного процесу з урахуванням вимог до висоти мікронерівностей обробленої поверхні, а також стану деформованого поверхневого шару такі, як глибина, значення й розподіл твердості по глибині, використаний ресурс пластичності.

Отримані результати дисертаційної роботи доцільно використовувати на машинобудівних підприємствах при проектуванні технологічних процесів, які містять операції холодного пластичного деформування.

Матеріали дисертації можуть бути також рекомендовано до використання в учбових курсах технології обробки металів, конструювання технологічного обладнання, що пропонуються студентам політехнічних університетів.

Особистий внесок здобувача. Автор безпосередньо брав участь у проведенні всіх експериментів й обробці експериментальних даних. Постановка задач й обговорення результатів експериментальних і теоретичних досліджень проводилася з науковим консультантом даної роботи. Особисто автором розроблено математичні моделі, які описують вплив технологічних факторів на формування мікронерівностей при деформуючому протягуванні [1, 2, 4, 10, 13, 18, 22, 23, 30]; поставлено задачі, розроблено конструкцію пристроїв, сплановано й проведено експерименти при відпрацьовуванні методик визначення коефіцієнту тертя й контактного тиску при проведенні досліджень [32-34]. При вивченні особливостей формування зони локального пластичного деформування при обробці деталей з кінцевою товщиною стінки особисто автором проведено експерименти, виконано їх аналіз, визначені граничні умови отриманих залежностей, виконано їх експериментальну перевірку [3, 5, 6, 11, 12, 20, 24, 26, 27, 31]; автор формулював і вирішував задачі, а також виконував розрахунки при дослідженні напружено-деформованого стану при обробці деталей з нескінченною товщиною стінки [1, 14, 16]; формулював задачі досліджень й проводив розрахунок технологічних режимів обробки, виходячи з необхідних значень накопиченої деформації [8, 9, 19, 21, 25, 28, 29, 30]; автор формулював і вирішував задачі досліджень, а також визначав граничні умови при розрахунку деформуючого інструменту виходячи з отриманих результатів вивчення розподілу нормальних наруг на контактній поверхні [7].

При рішенні задач технологічної механіки деформуючого протягування проводились наукові консультації з професором Воронезького архітектурно-будівельного університету Цехановим Ю. А.

Безпосередньо автором сформульовано основні наукові положення розкриті в роботі, а також висновки.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на: Міжнародній науково-технічній конференції, Воронезький державний технічний університет, 1996; Міжвузівській науково-технічної конференції, Воронеж, Воронезький державний технічний університет, 1998; Міжнародній конференції асоціації технологів-машинобудівників України, Київ, 1998; Міжнародній конференції “Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства”, Тульський державний університет, 1999; Міжнародній конференції “Нетрадиционные методы обработки”, Воронеж, 2002; Міжнародній конференції “Інтерпартнер-2003. Високі технології: тенденції розвитку”, Харків, НТУ “ХПІ” - Алушта, 2003, II международной научно-технической конференции “Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки металлов давлением”, Тульский государственный университет, Тула, 2004; 6 й 7-й міжнародних науково-технічних конференціях “Инженерия поверхности и реновации изделий”, 2006, 2007 рр., Ялта-Київ: АТМ України.

Публікації за темою дисертації. Основні результати досліджень опубліковані в 44 основних друкованих працях. А саме у 1-й монографії, 3 авторських свідоцтвах СРСР, 40 статтях у різних наукових виданнях. З них 30 - в провідних фахових виданнях, з яких 5 робіт написані автором без співавторів, 25 робіт написані у співавторстві із співробітниками, які приймали участь у дослідженнях та технічних розробках.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 250 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, шести глав, висновків, 5 додатків, и списку використаних літературних джерел (219 найменувань. Робота ілюстрована 24 таблицями, 164 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступу обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета й задачі досліджень, викладаються наукові положення, які виносяться на захист, наукова й практична новизна отриманих результатів, наведена загальна характеристика дисертаційної роботи.

У першому розділі розглядається стан проблеми на момент постановки досліджень, формулюються задачі й методи досліджень, що відповідає першій поставленій задачі.

На основі аналізу літературних джерел зроблено висновок, що стан поверхневого шару деталей машин значною мірою визначає їхні експлуатаційні характеристики. При цьому важливу роль у підвищенні експлуатаційних характеристик деталей грає шорсткість і параметри деформаційного зміцнення поверхневого шару.

Проведено аналіз різних моделей формування мікрорельєфу оброблюваної поверхні в процесах ХПД. Указується, що у випадку, коли мікронерівності деформуються інструментом з тангенціальним переміщенням, їхня висота істотно нижче, ніж при деформуванні без переміщення. Проведено аналіз раніше виконаних досліджень формування мікронерівностей у процесі деформуючого протягування, виконаних різними дослідниками. Аналіз дозволив зробити висновок, що ці дослідження носять, в основному, експериментальний характер, моделі, що дозволяють проводити теоретичний розрахунок параметрів шорсткості оброблюваної поверхні при деформуючому протягуванні на стадії проектування технологічної операції, не створені. Причиною тому є велика кількість впливаючих факторів і складність і різноманіття явищ у зоні контакту інструмента з оброблюваною деталлю.

Результати раніше проведених експериментальних досліджень шорсткості поверхні, обробленої деформуючим протягуванням, можуть бути застосовані тільки для якісного прогнозування зміни її параметрів.

ППД є ефективним способом підвищення довговічності деталей машин. Дослідниками виявлені основні закономірності впливу параметрів деформаційного зміцнення на структуру металу й експлуатаційні характеристики деталей машин. Наприклад встановлено, що залежність втомної міцності від ступеня деформаційного зміцнення носить екстремальний характер. Величина попередньої деформації впливає на структуру металу, його твердість і глибину цементованого шару після наступної термічної обробки.

Таким чином, для забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик деталей, оброблених деформуючим протягуванням, необхідно одержати задані параметри стану їхнього поверхневого шару в процесі виготовлення, а також вміти їх розраховувати на стадії проектування технологічного процесу.

Розрахувати такі параметри механічного стану поверхневого шару, як накопичена деформація й пластичність можливо знаючи характер НДС контактної зони.

Дослідженням НДС при деформуючому протягуванні займалися Ю. Г. Проскуряков, Г. Д. Дель, Д. Е Зайцев, В. А. Кузнєцов, О. А. Розенберг, Ю. А. Цеханов.

Але виконані дослідження містять ряд допущень, внаслідок чого точність отриманих результатів не завжди достатня. Таким чином, НДС заготовок при деформуючому протягуванні вивчено недостатньо, моделі, що дозволяють кількісно прогнозувати параметри зміцненого поверхневого шару на етапі проектування технологічного процесу, у даний час не створені.

Залишкова пластичність обробленої поверхні при деформуючому протягуванні досліджувалася Ю. А. Цехановим. Однак внаслідок зроблених припущень, про які вказувалося вище, отримані залежності мають недостатню точність.

У літературі також відсутні моделі, що дозволяють розраховувати параметри деформаційного зміцнення поверхневого шару деталей з кінцевою товщиною стінки.

У другому розділі наведений перелік оброблюваних й інструментальних матеріалів й їхні механічні властивості. У відповідності із першою і другою поставленими задачами викладена суть розроблених і відомих раніше методик.

Для дослідження закономірностей формування мікрорельєфу при кількості циклів обробки менше 2-х використані крешери конічної, пірамідальної й призматичної форми зі сталі ст. 3, сталі 10 (НВ 110), сталі 20Х (НВ 160), сталі 40Х (НВ 190), В8 (НВ 200), ХВГ (НВ 255), Х18Н10Т (НВ 150), 40ХНМА (НВ 270), міді М1 (НВ 83), ВТ6 (НВ 350).

Деформування крешерів здійснювалося на гідравлічному пресі ИПС-200. Деформування втулок проводили на спеціальному гідравлічному пресі, що дозволяє розвивати зусилля до 100 кн.

У дослідженнях застосовувалися інструменти із твердого сплаву ВК 15 (НRA 86), а також зі сталі Х12Ф1 (НRС 62) з покриттями TiN й CrN, осадженими способом конденсації високошвидкісних плазмових потоків в умовах іонного бомбардування (КІБ) на установці “Булат - 3Т”.

При обробці конструкційних й інструментальних сталей як технологічне змащення використовувався сульфофрезол, при обробці нержавіючої сталі Х18Н10Т - експериментальні зразки змащень, а також технологічне змащення “Формол” ТУ 38.301-4830-93.

При визначенні довжини контакту інструменту із заготовкою використовувався алмазний порошок АСМ 20/14 ГОСТ 9206-80.

Довжину контакту при деформуючому протягуванні заготовок визначали за допомогою алмазного покриття, яке наносилось на внутрішню поверхню втулок у вигляді плям. Довжина контакту визначалась по довжині подряпин, що залишилися на робочій поверхні інструменту після прошивання.

Шорсткість обробленої поверхні вимірювали на профілометрі-профілографі Telesurf -5M-120.

Коефіцієнт тертя по Кулону визначали по різних методиках, розроблених в ІНМ НАН України. Чотири з використаних методик захищені авторськими свідоцтвами. Використання різних методик диктувалося з однієї сторони конструктивними особливостями застосованих інструментів, з іншого боку - тим, що ці дослідження виконувалися протягом ряду років, під час яких розроблялися нові методики й удосконалювалися відомі.

При використанні деформуючих інструментів із твердого сплаву коефіцієнт тертя визначався в такий спосіб. Перша половина довжини втулки оброблялася інструментом, який обертався, друга - без обертання. Коефіцієнт тертя розраховували виходячи з умов рівноваги сил, прикладених до інструменту по залежності

f = F/N = (Q - Q₁)tg б/(Q - Q₁cos г)f,

де Q₁ - осьова сила протягування на ділянці з обертанням інструменту, Q - осьова сила протягування на ділянці без обертання, г - кут нахилу траєкторії руху інструменту.

Крім того, для визначення коефіцієнта тертя використовувалась методика, яка базується на моделюванні умов контактної взаємодії інструмента з оброблюваним виробом. На циліндричній заготовці, закріпленій в патроні токарного верстата, токарною обробкою був виконаний трапецевидний виступ по гвинтовій лінії з кутом ц. Інструмент виготовляли у вигляді стрижня, торець якого відповідав профілю робочого деформуючого елемента. Інструмент закріплювали в державці, яку встановлювали на динамометр УДМ 100.

Заготовку приводили в обертання, а інструмент притискали до виступу силою P_y і переміщували уздовж осі заготовки з подачею, рівною кроку гвинтової лінії. При цьому вимірювали сили P_y й P_z

Для розрахунку коефіцієнта тертя й дослідження розподілу контактного тиску по контактній поверхні використовували також збірний деформуючий інструмент, що складається з декількох кілець, посаджених на оправку.

Оброблювану деталь встановлювали на динамометр, а інструмент приводили в обертання. Далі проводили деформуюче прошивання заготовки.

Коефіцієнт тертя розраховували по залежності: де УQ_i - сумарне осьове зусилля при обробці без обертання інструмента; УQ_iв - сумарне осьове зусилля при обробці з обертанням інструмента; ц - кут повороту вектора сили тертя.

При використанні сталевого інструмента зі зносостійкими покриттями коефіцієнт тертя по Кулону розраховували з умови рівноваги сил, прикладених до інструменту: де F - сила тертя; Р - радіальна сила; N - нормальна сила; б - кут нахилу твірної робочого конуса інструменту; Q - осьова сила протягування.

Деформований стан досліджувався методом візіопластичности з використанням ділильних сіток. У товстостінну втулку із внутрішньої поверхні запресовували плоску прямокутну вставку товщиною 1мм, на бічній поверхні якої дряпанням була нанесена прямокутна ділильна сітка із кроком 0,2 мм. У сталій стадії процес деформування припиняли, пластину випресовували й деформовану ділильну сітку фотографували.

Напружений стан досліджували експериментально методом виміру твердості. Для цього використовувались втулки зі сталі 45 (НВ 190) з відношенням зовнішнього діаметра до внутрішнього D₀/d₀ = 3 і довжиною 150 мм. На сталій стадії (при постійному зусиллі протягування) процес зупиняли. У зразків робили вирізки в меридіональному напрямку. Меридіональну площину шліфували й полірували. Потім на приладі ПМТ-3 вимірювали мікротвердість деформованої області.

Дослідження форми зони локального деформування робили на профілометрі-профілографі ВЭИ “Калибр” мод. 201 з використанням пристрою для виміру хвилястості.

Третій розділ присвячений рішенню третьої з поставлених задач, а саме дослідженню закономірностей деформування мікронерівностей і розробці математичних моделей, що описують формування мікрорельєфу по параметру R_z при різних технологічних режимах деформуючого протягування при різній кількості циклів обробки.

Виконані раніше в ІНМ НАН України експерименти показали, що при деформуючому протягуванні сила тертя може значною мірою визначати механізм формування мікрорельєфу обробленої поверхні.

При кількості циклів обробки до двох (включно) основне деформування мікронерівностей відбувається шляхом їхнього зминання вдавленням і впливом сил тертя можна зневажити.

Для одержання якісної поверхні необхідно перед деформуючим протягуванням очистити внутрішню поверхню заготовок від окалини й іржі, що залишаються після гарячої прокатки труб. Для цієї мети звичайно застосовують розточування.

У цьому випадку мікрорельєф оброблюваної поверхні представляє чергування западин і виступів. Як показують експериментальні дослідження, при R_z ? 40 мкм розподіл висот мікровиступів з точністю, прийнятною для інженерних розрахунків, може бути описаний нормальним законом . Високоефективні технологічні змащення істотно зменшують сили тертя. За таких умов при кількості циклів деформування 1-2 основне деформування вихідних мікронерівностей відбувається шляхом їхнього зминання здавлюванням. При цьому доти, поки пластична область досягне основи мікронерівності, процес деформування повинен залишатися геометрично подібним і середній контактний тиск у міру зминання повинен залишатися постійним.

Для перевірки даного припущення пластичне стискання мікронерівностей досліджувалося на моделях у вигляді крешерів. При цьому встановлено, що середній контактний тиск _n до значних ступенів зминання залишається постійним для кожного матеріалу. Його величина (МПа) становить для: сталі 10 - 1280, В8 - 2170, Х18Н10Т - 1740, сталі 45 - 1960, міді - 530.

Аналіз експериментальних даних дозволяє зробити висновок, що при малій кількості числі циклів деформування (1-2)R_z обробленої поверхні залежить лише від одного інтегрального параметра - номінального контактного тиску q, що, у свою чергу, визначається всім комплексом технологічних параметрів процесу.

Експериментальне вивчення мікрорельєфу, отриманого в результаті токарної обробки показує, що при значеннях Rz < 20 мкм розподіл висот мікронерівностей з прийнятною для інженерних розрахунків точністю може бути описаний нормальним законом.

Враховуючи це, а також використовуючи дані експериментів, отримані залежності для розрахунку контактного тиску й висоти мікронерівностей: де - висота зім'ятих мікронерівностей, а один інтегральний коефіцієнт враховує всі фактичні дані геометрії мікрорельєфу. Його встановлюють обробкою відповідних експериментальних даних по профілограмам поверхонь. Наприклад, для конічних і пірамідальних виступів (моделювання обробки поверхні шліфуванням) з, , , , , одержуємо; для призматичних виступів (стругання й гостріння) з, , , ,; одержуємо. У середньому можна прийняти. Отримана безрозмірна крива, що зв'язує q з безрозмірною шорсткістю й рівняння, що неї апроксимує:

Порівняння отриманих експериментально значень у_n зі значеннями твердості оброблюваного матеріалу показало, що замість у_n з достатньою для інженерної практики точністю можна використовувати значення твердості по Бринеллю.

Експериментальна перевірка запропонованої залежності проводилася при одноцикловому деформуючому протягуванні втулок з отвором, поверхня якого попередньо шліфувалася, а також при обробці деталей з різних марок сталей, різної вихідної шорсткості, при використанні різних технологічних змащень й інструментальних матеріалів багатоелементними протяжками.

На основі аналізу експериментальних даних виявлені граничні умови застосування розробленої методики: при числі циклів обробки до двох, розрахункові дані задовільно відповідають дослідним, при більшому числі циклів деформування методика дає похибку.

При кількості циклів обробки більше 2-х характер деформування мікронерівностей змінюється. Спостерігається завалювання вершин мікронерівностей під дією сил тертя, активізуються явища масопереносу, на контактних поверхнях стохастично утворюються й руйнуються містки схоплювання, руйнуються й знову утворяться окісні плівки. Таким чином, тертя на контактних поверхнях є складним фізико-хімічним процесом з великою кількістю впливаючих факторів.

У цьому випадку побудувати чисто теоретичну модель, що описує процес формування мікрорельєфу поверхні, який оброблюється деформуючим протягуванням, не представляється можливим. Опис даного процесу на основі експериментальних даних також не представляється можливим, тому що потребує проведення великої кількості трудомістких багатофакторних дослідів. Практика показує, що в цих випадках ефективним є застосування методів теорії подібності й розмірностей.

Аналіз контактної взаємодії інструмента із заготовкою дозволив виділити основні параметри, що визначають характер контактних явищ при деформуючому протягуванні. Ними є вихідна висота мікронерівностей R_zo, максимальний контактний тиск q_max, робота тертя A_тр, механічні характеристики оброблюваного матеріалу. Далі, побудувавши вирази й виконавши перетворення відповідно до принципів теорії подібності, одержуємо вирази, що якісно відображає залежність відносної шорсткості від основних факторів процесу деформуючого протягування де - коефіцієнт тертя, контактний тиск і довжина контакту при -м циклі відповідно (визначаються по відомих методиках).

Для перевірки отриманої залежності були проведені експерименти по деформуючому протягуванню втулок зі сталей 45, 10, У8 інструментами із ВК15 і сталевими з покриттям CrN й TiN. Результати експериментів представлені на рис. 3 у вигляді залежності безрозмірної шорсткості від безрозмірного критерію подібності, що містить найбільш важливі параметри процесу деформуючого протягування. Ця залежність апроксимується формулою: що може бути рекомендована для інженерних технологічних розрахунків.

Для розрахунку обробленої поверхні, відповідно до шостої поставленої задачі, розроблені алгоритми визначення технологічних режимів деформуючого протягування. Їх можна використати для розробки САПР процесу з метою керування параметрами стану поверхневого шару.

Четвертий розділ присвячений рішенню четвертої поставленої задачі, а саме, дослідженню НДС зони пластичної деформації при обробці деталей з нескінченною товщиною стінки й впливу на нього технологічних параметрів процесу, розробці математичних моделей, що дозволяють робити розрахунок технологічних режимів деформуючого протягування виходячи з вимог до деформаційного зміцнення й пластичності поверхневого шару на стадії проектування технологічної операції.

Деформований стан контактної зони досліджували експериментально методом ділильних сіток при робочих кутах інструмента б = 5 і 10 при використанні втулок зі сталей 45, 20, ШХ15. Дослідження показали, що характер деформування сіток не залежить від матеріалу заготовки. Отримані сітки мають слабодеформований характер (рис. 4). Для розшифровки експериментальних даних удосконалена методика, розроблена Ю. А. Цехановим. Відповідно до даної методики швидкості сталого плину розраховували інтегруванням функцій, що апроксимують вузлові координати. Однак у роботі Ю. А. Цеханова розглядалися тільки лінії сітки одного сімейства, що збігаються з лініями току, і не враховувалася експериментальна інформація, яку дають скривлені лінії іншого ортогонального сімейства. По ділильних сітках будувалися ізолінії кутів S-ліній у напрямку осі заготовки й кутів г L-ліній у радіальному напрямку.

Підінтегральну функцію одержували обробкою експериментальних даних для кутів й г. Розрахунок швидкостей проводився за допомогою співвідношень для швидкостей уздовж S й L-ліній сітки. Представивши співвідношення у вигляді кінцевих різностей і виконавши мінімізацію похибок методом найменших квадратів, отримуємо систему рівнянь, вирішуючи яку обчислюємо співвідношення у вузлах сітки. Обчислення проводилося поетапно для окремих областей, у якості яких приймалися L-лінії.

Накопичену деформацію () розраховували інтегруванням інтенсивності швидкостей деформації уздовж ліній току. Як розрахункові області приймалися окремі фрагменти ділильної сітки.

Ізолінії відносних швидкостей плину матеріалу заготовки зі сталі 45 представлені на рис. 6. Як видно, перед контактною зоною має місце помітне гальмування плину матеріалу, до виходу з неї швидкість зростає.

Інтенсивність швидкостей деформацій о₀ розраховувалася по залежності: де, о_r, о_ц, о_z, о_rz - компоненти тензора швидкостей.

Наведені графіки зміни інтенсивності деформацій уздовж ліній току при обробці інструментом з робочим кутом 5 й 10 відповідно. Видно, що найбільш інтенсивно деформування відбувається біля поверхні на початку й наприкінці контакту. Зі збільшенням глибини інтенсивність швидкостей деформації зменшується. Інтегруванням інтенсивності деформацій уздовж ліній току розраховувалася накопичена деформація , розподіл якої уздовж ліній струму.

У розподілі уздовж ліній току спостерігається певна закономірність. Накопичена деформація в поверхневому шарі для 1, 2, 3 ліній при робочому куті інструмента 5° практично однакова. Те ж можна сказати й для 1, 2, 3, 4, 5 ліній при робочому куті інструмента 10. За результатами розрахунку побудовані безрозмірні криві, що показують зміну накопиченої деформації .залежно від відносної глибини шару заготовки h/д де, h - глибина шару, д - натяг.

Спадаючі ділянки отриманих залежностей практично паралельні. Це дозволяє при використанні інструменту з іншими робочими кутами застосовувати для розрахунків інтерполяцію або екстраполяцію. Залежність 3 отримана таким методом.

Математичною обробкою результатів отримані рівняння для розрахунку накопиченої деформації залежно від робочого кута інструмента й відносного натягу: де . - глибина шару; . - натяг; б - кут робочого конуса інструмента в градусах.

При обробці багатоелементними протяжками для розрахунку сумарної використовується принцип суперпозиції.

Виявлені закономірності дають можливість також розраховувати мікротвердість по глибині поверхневого шару. Для виконання відповідних розрахунків необхідно мати отриманий механічними випробуваннями тарувальний графік для оброблюваного металу.

Необхідно відзначити, що отриманими результатами можливо користуватися для розрахунку параметрів зміцнення поверхневого шару, що лежить безпосередньо під шаром, утвореним в результаті деформування мікронерівностей, тобто механіка деформування якого описується вищевикладеними моделями НДС. Для розрахунку зміцнення шару, утвореного в результаті деформування мікронерівностей, запропонованою методикою користуватися не можна внаслідок складності й нерегулярності мікрорельєфу, структури і явищ деформування.

Напружений стан зони локального пластичного деформування при деформуючому протягуванні деталей з нескінченною товщиною стінки вивчали експериментально методом виміру твердості. Для розрахунку інтенсивності напруг використовували тарувальний графік, що зв'язує мікротвердість й інтенсивність напруг.

Як відомо, деформований стан у контактній зоні заготовок із нескінченною товщиною стінки можна вважати плоским.

Якщо в пластичній області деформованої заготовки відомий розподіл інтенсивності напруг по глибині y: у₀ = у₀(y), то задача стає статично визначеною. Аналіз експериментальних даних показує, що вже після третього циклу деформуючого протягування пластична постійна k = у₀/ міняється лише по глибині поверхневого шару, практично не змінюючись уздовж осі заготівлі X.

Внаслідок малості застосовуваних на практиці робочих кутів деформуючого елемента й застосування високоефективних технологічних змащень, що значно зменшують тертя, прийнята розрахункова схема (рис. 10), що відповідає вдавленню інструменту в нескінченний пластично неоднорідний напівпростір з відомим розподілом інтенсивності й постійної пластичності по глибині.

На ділянці DO має місце нормальний тиск інструменту, дотичні напруження відсутні.

Задача вирішувалося методом ліній ковзання з урахуванням зміни . Пластична область складається із трьох зон: I зона - ОВА, II - зона ОВС, III зона - ОС. Для кожної зони отримані співвідношення для . (у - гідростатичний тиск, з - коефіцієнт жорсткості напруженого стану).

Для контактної поверхні ці вирази мають вигляд:

Відзначимо, що відповідно до теоретичного аналізу задачі й експериментальних даних пластична область при деформуючому протягуванні не симетрична, а відповідає випадку “бічного видавлювання” матеріалу заготовки перед інструментом.

Ізолінії у/k_max й у_x/k_max, розраховані за запропонованою методикою для заготовки зі сталі 45 після 5-го циклу деформування наведені на рис. 11, а. Тут же наведені епюри розподілу напруг й уздовж поверхні контакту, розраховані за запропонованою методикою (суцільна лінія) і з використанням точного рішення, наведеного в роботі Б. А. Друянова (штрихова лінія). Як видно, розходження не перевищує 6 %. Отже, отримане інженерне рішення цілком прийнятно.

З епюри зміни уздовж оброблюваної поверхні видно, що перед інструментом = -1,73, що відповідає стиску в умовах плоскої деформації.

Під контактною поверхнею матеріал перебуває в умовах сильного об'ємного стиску ( = -7,16), що сприятливо з погляду забезпечення високої пластичності.

При великому градієнту зміцнення осьові напруги наприкінці контакту стають позитивними, що може привести до появи мікротріщин в охрупченом поверхневому шарі.

Для оцінки пластичності використався критерій Колмогорова, що враховує історію деформування матеріалу: де _гр (з) - гранична деформація, що відповідає певному значенню коефіцієнта жорсткості.

Аналіз процесу накопичення деформацій, що базується на виконаних дослідженнях НДС, показав, що основне накопичення ушкоджень у поверхневому шарі відбувається перед зоною контакту інструмента з оброблюваним виробом. Отримано формулу для розрахунку використаного ресурсу пластичності: де N - число циклів обробки.

Для б = 5 величина щ = 2,4, а для б = 10 - щ = 3; з_гр(-1,73) матеріалу заготовки визначається експериментально при стиску в умовах плоскої деформації або за довідковим даними.

Таким чином, на підставі проведених досліджень механіки деформуючого протягування деталей з нескінченною товщиною стінки розроблені інженерні методики визначення технологічних режимів, що дозволяють одержувати необхідні параметри деформаційного зміцнення й пластичності. Вони можуть бути рекомендовані для використання в інженерній технологічній практиці.

На їхній основі, відповідно до шостої поставленої задачі, розроблено алгоритми визначення технологічних режимів деформуючого протягування, що забезпечують необхідний стан поверхневого шару по цих параметрах. Ці алгоритми можна використати для розробки САПР процесу деформуючого протягування з метою керування параметрами стану поверхневого шару.

П'ятий розділ присвячений рішенню п'ятої поставленої задачі - дослідженню впливу технологічних режимів на формування локальної зони пластичної деформації в контактній зоні при деформуючому протягуванні деталей з кінцевою товщиною стінки, побудові на основі виявлених закономірностей математичних моделей, що дозволяють визначати технологічні режими виходячи з вимог до параметрів шару деформаційного зміцнення на етапі проектування технологічної операції.

Відомо, що деформування поверхневого шару деталі, а отже, утворення текстури при використанні рідких технологічних змащень, може відбуватися під дією декількох факторів: тертя інструмента й оброблюваної поверхні, мікросхоплювання інструменту з оброблюваною поверхнею, деформуванням мікронерівностей, локальним деформуванням у зоні контакту. Перші три фактори формують самі тонкі приповерхні шари текстури на глибину порядку висоти мікронерівностей. Закономірності деформування поверхневого шару й утворення в ньому текстури під дією цих факторів досить докладно описано в літературі. Локальне деформування формує текстуру на більшу глибину - порядку довжини контакту інструмента із заготовкою. Застосування твердих змащень дозволяє локалізувати зсувні деформації від сил тертя в зоні контакту інструмента з оброблюваною деталлю в шарі змащення й уникнути безпосереднього контакту робочої поверхні інструменту й оброблюваної поверхні й, тим самим, виключити вплив на формування деформованого поверхневого шару перших трьох факторів. У цьому випадку по наявності текстури в поверхневому шарі можна судити про наявність зони локальної пластичної деформації в процесі обробки деталі. У роботах О. О. Розенберга зроблено припущення, що локальна деформація поперед інструменту, утвориться лише у випадку, коли контактний тиск перевищує критичній, рівний дійсній напрузі в шийці розірваного зразка. При менших значеннях контактного тиску перед інструментом стінка деталі плавно гнеться сполучаючись із поверхнею інструменту.

Для перевірки даного припущення було проведене дослідження структури поверхневого шару тонкостінних деталей, оброблених із застосуванням твердого змащення на основі дисульфіду молібдену після 20 циклів обробки. Контактний тиск при цьому був менше критичного. Як видно, у стінках деталей на значній глибині зміцненого поверхневого шару є текстура. З огляду на викладене вище, утворення текстури в цьому випадку пояснюється наявністю в зоні деформування локальної зони деформування.

Наявність текстури в поверхневому шарі деталі, обробленої деформуючим протягуванням із застосуванням твердих змащень, виявлено вперше.

Для детального вивчення впливу технологічних режимів деформуючого протягування на механіку локальної пластичної деформації в зоні контакту інструмента з оброблюваним виробом при деформуючому протягуванні були проведені експерименти по вивченню форми поверхні заготовки в контактній області.

Для експериментів використовувались втулки з армко-заліза (НВ 101) з отвором діаметром мм, товщиною стінки t = 2; 2,5; 5; 7; 12; 15; 17 мм і довжиною 100 мм. Обробка виконувалась з натягами а = 0,3 мм й 0,5 мм. На середині довжини втулки інструмент зупиняли, випресовували у зворотному напрямку й робили профілографування зони контакту на профілометрі-профілографі ВЭИ “Калібр” мод. 201.

Показані профілі внутрішньої поверхні деталі біля зони контакту, на яких добре видно зону характерного для всіх випадків напливу. Таким чином, експериментально доведено, що характерна область локальних пластичних деформацій у вигляді напливу перед інструментом утворюється також при значеннях контактного тиску менших критичних. Дане явище виявлено вперше і є принципово важливим для більш повного розуміння механіки ППД при деформуючому протягуванні.

Мають місце дві схеми локальної пластичної деформації. При обробці деталей зі стінкою товщиною 17, 15, 12 мм (t/d₀ = 0,486; 0,428; 0,343) натягами 0,5 й 0,3 мм (a/d₀ = 0,143; 0,0086) схема відповідає розрахунковій моделі локальної області пластичної деформації нескінченного півпростору, що має місце у випадку обробки деталей з нескінченною товщиною стінки.

Поле ліній ковзання такої області показане на рис. 16. Кут е, утворений лінією ковзання DС із поверхнею контакту, визначається величиною сил контактного тертя:

,

де - коефіцієнт пластичного тертя по Прандтлю. Використовуючи зв'язок між коефіцієнтом тертя по Кулону й по Прандлю для б = 4є, встановленому в роботах О. О. Розенберга і Ю. А. Цеханова, а також реальні значення коефіцієнта тертя по Кулону при деформуючому протягуванні, наведені в роботах О. О. Розенберга, знаходимо діапазон зміни е: е = 38є - 28є.

При обробці деталей зі стінкою товщиною менше 7 мм форма напливу, міняючи свої розміри й зберігаючи геометричну подібність, перебуває наприкінці ділянки вигину стінок оброблюваної деталі. При цьому контури поверхні, вільної від зовнішніх навантажень, у всіх випадках виявилися практично еквідистантні. Це свідчить про те, що закономірності локальної пластичної деформації, що мають місце при обробці товстостінних деталей, справедливі й при обробці тонкостінних виробів. Відмінністю є той факт, що в першому випадку вільна поверхня АН з поверхнею інструменту DО становить кут б (кут робочого конуса інструменту), а при обробці тонкостінних виробів, внаслідок вигину стінок деталі перед інструментом, цей кут зменшується на величину в і стає рівним