Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
employee
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
A design project for calibrating holes in parts, e.g. in hobs, discs, gear wheels, un-der conditions of ultrasonic effects application is suggested. Formula, providing a way for varying the value of the ultrasonic pulse pbr in a part is derived. It allows ensuring the required accuracy of the hole at lower pressures in the contact zone of a mandrel with the treated surface and, as a consequence, to reduce the magnitude of the traction force of the calibration process, which is especially important in hole-making operations for parts subjected to heat treatment.
calibration, mandrel, cylindrical hole, traction force, ultrasonic field energy, stress state of the surface layer, hole surface condition
Введение
Калибрование является одним из эффективных методов отделочно-упрочняющей обработки отверстий различной формы. Метод позволяет получить геометрические размеры отверстий с высокой точностью, а также в результате поверхностной пластической деформации, сформировать поверхностный слой с повышенными физико-механическими характеристиками [1, 2]. Особенно востребован этот метод при отделочно-упрочняющей обработки отверстий в деталях, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов и подвергаемых термообработке после выполнения формообразующих операций [2].
Для реализации процесса калибрования отверстий на сегодняшний день, в результате проведённых исследований, разработана конструкция дорна, определены геометрические параметры его рабочих поверхностей и установлены технологические параметры процесса, обуславливающие механизм поверхностного пластического деформирования, среди которых особо следует выделить натяг и скорость дорнования от правильного выбора которых зависит величина тягового усилия [2, 3].
Определение тягового усилия при дорновании отверстий имеет большое практическое значение, т. к., зная заранее величину усилия, можно правильно выбрать конструктивные размеры протяжного станка или пресса, рассчитать инструменты, приспособления и обрабатываемую деталь на прочность и устойчивость. Поэтому его уменьшению в процессе обработки уделяется особое внимание. Снижение тягового усилия может быть обеспечено или уменьшением коэффициента внешнего трения в зоне контактного взаимодействия дорна с обрабатываемой поверхностью путем применения смазок или изменением напряжённого состояния поверхностного слоя в зоне контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью, приводящего к снижению внутреннего трение в материале путем введения в зону обработки ультразвуковых колебаний (УЗК).
Анализ выполнения различных технологических операций резанием с применением ультразвуковых колебаний предусматривает в основном наложение их на инструмент вдоль его оси. Однако такая схема введения ультразвуковых колебаний в очаг деформации возможна только при создании специальных станков с вмонтированными ультразвуковыми преобразователями, подходит только для определенной группы деталей и характеризуется высокой материалоёмкостью технологической оснастки из-за её больших габаритов [4, 5, 6].
Целью настоящих исследований является оценка влияния ультразвуковых колебаний, при наложении их на деталь, на изменение напряженного состояния деформированного в процессе калибрования поверхностного слоя.
Расчет напряженного состояния поверхностного слоя отверстия деформированного в процессе калибрования и действия
ультразвукового поля
На рис. 1 представлена технологическая схема реализации процесса калибрования отверстий, в соответствии с которой формирование и как следствие изменение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя отверстий является результатом совместного энергосилового
воздействия на него упруго пластических деформаций со стороны дорна и ультразвуковых колебаний [4].
Рассмотрим деформированный поверхностный слой отверстия в виде цилиндра из упругого материала, подчиняющегося закону Гука, толщиной равной величине натяга δ и высотой равной длине отверстия H, соизмеримой с высотой детали (рис. 2). Цилиндр находится под внутренним давлением, равного по величине радиальному контактному давлению дорна в точке его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью и внешним давлением pb, соответствующего величине давления, развиваемого ультразвуковыми колебаниями (см. рис. 2) при постоянной температуре Т = Т0, соответствующей температуре при отсутствии деформаций. При этом считаем, что перемещения имеют место в поперечном направлении, а в осевом направлении отсутствуют.
Примем за начальное состояние поверхностного слоя, его состояние в условиях, когда pa = pb = 0, при которых деформации и напряжения отсутствуют и соответственно тензор деформации 
. Перемещения ω от начального до напряженно-деформированного состояния происходят в поверхностном слое, когда 
.
Для решения поставленной задачи используем следующие основные кинематические уравнения теории упругости, принятые при исследовании механики сплошных сред:
С целью оценки влияния ультразвуковых колебаний на изменение напряженного состояния деформированного в процессе калибрования поверхностного слоя, при наложении их на деталь, в рамках настоящего исследования решим задачу, предусматривающую, что все искомые функции зависят только от координаты .Тогда для вектора перемещений ω можно записать:
Подставляя (13) в формулу закона Гука (2), получим выражения для компонентов тензора напряжений:
Установленные, в результате проведенного исследования, зависимости (12), (14), (18), (21), (22) являются основой оценки деформаций и напряжений в различных точках цилиндра и, как следствие, поверхностного слоя, модифицируемого в процессе малых упругопластических деформаций.
Используя эти зависимости проведем анализ напряженного состояния стенок цилиндра, ограничивающего деформированный поверхностный слой. Для этого применим подход, предложенный в работе [7], суть которого заключатся в том, что для наилучшего представления о действительной величине напряжений предлагается использовать, так называемые «физические компоненты» тензоров напряжений, т. е. компоненты единичного базисного вектора . Так как в нашем случае компоненты единичного базисного вектора совпадают главными компонентами тензора напряжений можно записать:
На рис. 3 показано распределение напряжений в деформированном поверхностном слое отверстия при отсутствии ультразвукового воздействия на деталь (сплошная линия) и ультразвуковым воздействием (пунктирная линия).
Из (24) запишем уравнения показывающие влияние ультразвукового воздействия на изменение величины радиального, окружного и осевого контактного давления деформирования поверхностного слоя в процессе калибрования отверстия:
При калибровании величина пластически деформируемого поверхностного слоя должна находится в пределах допуска задаваемого на точность обрабатываемого отверстия [IT], то есть . Исходя из этого ограничения и учитывая, что напряжения в поверхностном слое, необходимые для реализации процесса поверхностно пластической деформации должны превышать предел текучести обрабатываемого материала детали , запишем формулу для определения минимального контактного радиального давления, обеспечивающего калибрование отверстий в условиях ультразвукового поля:
Заключение
Из предложенной формулы следует, что варьирование величиной ультразвукового импульса на деталь позволяет обеспечить требуемую точность отверстия при более пониженных давлениях в зоне контакта дорна с обрабатываемой поверхностью и, как следствие, уменьшить величину тягового усилия процесса калибрования, что особенно важно при обработке отверстий в деталях подвергаемых термообработке и изготавливаемых из высокопрочных материалов.
1. Proskuryakov Yu. G. Volumetric mandreling of holes / Yu. G. Proskuryakov, V. N. Romanov, A. N. Isaev. Moscow: Mashinostroenie, 1984, 223 p. (in Russian).
2. Berberov S.A., Lebedev V.A. Forming mandrel use for slot hole calibration in heat-treated parts / Science intensive technologies in mechanical engineering, 2017, no. 9 (75), pp. 38-41.
3. Handbook of Surface Plastic Deformation Processes, vol. 2, ed. by S.A. Zaides, Irkutsk: Izdatel'stvo IRNITU, 2022, 584 p. (in Russian).
4. Berberov S.A., Lebedev V.A., Torop Yu.A. Improving in mandrelling efficiency of spline holes under influence of ultrasonic field / Strengthening technologies and coatings, 2020, vol. 16, no. 9 (189), pp. 391-394. (in Russian).
5. Kiselev E.S. Intensification of the processes of mechanical treatment using the ultrasonic field energy: textbook. Ulyanovsk, UlGTU Publ., 2003, p. 186. (in Russian).
6. Agapov S.I., Golovkin V.V. Machining effectiveness increase through ultrasound use: monograph. Samara: SNC Publishing House, 2010, 134 p. (in Russian).
7. Sedov L.I. Mechanics Of Continuous Media (In 2 vols), Moscow: Nauka, 1970, 568 p. (in Russian).
8. Osipenkova G.A. Finishing-hardening treatment using ultrasonic torsion oscillation / G.A. Osipenkova, V.F. Pegashkin; Ministry of Education and Science of the Russian Federation: Federal State Educational Institution of Higher Education "UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin", Nizhnetagil'sk technological institute (branch). Nizhny Tagil: NTI (branch) UrFU, 2013, 116 p.
