Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Предложена технологическая схема калибрования отверстий в деталях типа втулка, диски, зубчатое колесо, в условиях приложения ультразвукового воздействия на деталь. Выведена формула с помощью, которой можно варьировать величину ультразвукового импульса pbr на деталь, что 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.
калибрование, дорн, цилиндрическое отверстие, тяговое усилие, энергия ультразвукового поля, напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности отверстия
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. Проскуряков Ю. Г. Объемное дорнование отверстий / Ю. Г. Проскуряков, В. Н. Романов, А. Н. Исаев. М.: Машиностроение, 1984. 223 с.
2. Берберов С.А., Лебедев В.А. Применение фасонных дорнов для калибрования шлицевых отверстий в термообработанных деталях // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017. № 9 (75). С. 38-41.
3. Справочник по процессам поверхностного пластического дефрмирования / под. ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд. ИРНИТУ, 2021. 504 с.
4. Берберов С.А., Лебедев В.А., Тороп Ю.А. Повышение эффективности процесса дорнования шлицевых отверстий в условиях воздействия ультразвукового поля / Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 9 (189). С. 391-394.
5. Кисилев Е.С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2003. С. 186.
6. Агапов С.И., Головкин В.В. Повышение эффективности механической обработки путем применения ультразвука: монография. Самара: Изд. «СНЦ», 2010. 134 с.
7. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 2, М.: Наука, 1970. 568 с.
8. Осипенкова Г.А. Отделочно-упрочняющая обработка с применением ультразвуковых крутильных колебаний / Г.А. Осипенкова, В.Ф. Пегашкин; Мин-во образования и науки РФ: ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ, 2013. 116 с.
