Разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой тонкостенных осесимметричных изделий

В настоящее время широко применяются несущие тонкостенные осе-симметричные изделия со ступенчатой боковой поверхностью, в частности, диски автомобильных колес, изготовленные из литейных алюминиевых сплавов. Как правило, подобные изделия работают при высоких статических и динамических нагрузках, часто знакопеременного характера, поэтому к их прочности предъявляют высокие требования.

Наиболее распространена следующая технология изготовления литых дисков: получение отливки и механическая обработка обода для придания нужной формы и размеров. При этом срезаются наружные, наиболее прочные и мелкозернистые слои металла и обнажается внутренняя, крупнозернистая и рыхлая структура. Это резко снижает качество поверхности и прочностные характеристики, что заставляет конструкторов увеличивать толщину стенок диска. Упрочняющая термообработка тонкостенных деталей сложной формы имеет ряд ограничений, в частности, возникает значительное коробление стенок детали, требующее последующего исправления.

Повысить прочностные свойства изделий позволяет широко применяемая в промышленности обкатка наружной поверхности роликами. Однако, имеющиеся в литературе рекомендации и методики по определению технологических параметров обкатки относятся, главным образом, к обработке роликами малого диаметра, сопоставимого с толщиной стенки изделия, следовательно, непригодны при обкатке ступенчатых тонкостенных изделий, поскольку при обкатке таких изделий в силу их геометрии необходимо использовать ролики диаметром, сопоставимым с диаметром заготовки.

Поэтому задача по исследованию процесса упрочняющей обкатки тонкостенных изделий и определению оптимальных режимов их обработки, позволяющих добиться необходимого упрочнения и качества поверхности, является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с проектом «Исследование напряженно-деформированного состояния литых осесимметричных заготовок при локальном деформировании», выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 1997 году, проектом «Исследование характера пластического течения и упрочнения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки», выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 2000 году, проектом «Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании», вошедшим в единый заказ — наряд Министерства образования Российской Федерации в 2000 году.

Цель работы: разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающей высокие показатели прочности и качества, и методики ее проектирования.

Методы исследования. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния заготовки при обкатке выполнены на основе теории пластического течения. Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния в процессе обработки проводилось на персональном компьютере при помощи пакета прикладных программ «Штамп», реализующего анализ упруго-пластических моделей методом конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов. Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые разработана математическая модель и проведено численное конечно-элементное моделирование процесса обкатки тонкостенной заготовки при одновременном действии радиальной и тангенциальной сил, в результате которого выявлены особенности пластического течения и упрочнения металла. Определены предельные значения параметров процесса обкатки, при которых не происходит раскатка детали. Выявлен эффект увеличения упрочнения поверхности детали при обкатке роликом, нагруженным тормозной силой. Установлено влияние основных технологических параметров (диаметр ролика, величина радиальной и тормозной сил, приложенных к ролику) на упрочнение поверхностного слоя заготовки. Экспериментально определены зависимости шероховатости и твердости поверхности детали от параметров обкатки.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных методов математического моделирования упруго-пластического течения с учетом контактного трения и упрочнения металла и подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10%.

Автор защищает:

— математическую модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения и результаты ее анализа;

— методику и результаты экспериментальных исследований поверхностного упрочнения тонкостенной осесимметричной заготовки роликами большого диаметра;

— новый способ упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесим-метричных изделий при одновременном приложении радиальной и тангенциальной сил и результаты его экспериментального опробования;

— научно обоснованную методику определения технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработана новая технология упрочняющей обкатки роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающая высокие показатели прочности и качества.

2. Разработана научно обоснованная методика определения необходимых технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.

3. Разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенной технологии.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами Российской Федерации.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 120 400 «Машины и технология обработки металлов давлением» в Орловском государственном техническом университете.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международном научно-техническом симпозиуме «Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации, Орел, 1997, на 2-ой международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии», Орел, 1998, на международной конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», Тула, 1999, на научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении», Владимир, 1999. на международной конференции «Технология 2000», 28−30 сентября 2000, ОрелГТУ, на научно-технических конференциях в Орловском государственном техническом университете в 1998;2003 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 1 статья в центральной печати, 3 статьи в сборниках научных трудов, 5 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 65 наименований, приложения и включает 75 страниц машинописного текста, содержит 61 рисунок и 5 таблиц. Общий объем 134 страницы.

Выводы по разделу.

1. Установлено, что наибольшее влияние на величину упрочнения металла заготовки при обкатке с торможением ролика оказывают следующие параметры: диаметр ролика, толщина стенки заготовки и величина тормозной силы, приложенной к ролику.

2. Разработана методика определения технологических параметров процесса обкатки с торможением ролика:

— номограммы для определения погонной радиальной силы обкатки,.

— диаграммы для определения упрочнения при обкатке с различными режимами.

3. Разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенного способа.

4. Намечены основные направления дальнейшего совершенствования технологии обкатки тонкостенных осесимметричных изделий, в частности, предложен новый способ изготовления втулок из литых заготовок. Предложенный способ защищен патентом Российской Федерации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Щ' В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающей высокие показатели прочности и качества, и методики ее проектирования.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Поверхностное упрочнение обкаткой позволяет повысить эксплуатационные качества тонкостенных изделий из алюминиевых сплавов, работающих при высоких нагрузках. Применение ступенчатых роликов, воздействующих на обрабатываемую поверхность без изменения ее макрорельефа, обеспечивает необходимое качество и производительность обработки.

2. Разработана математическая модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения и проведено ее теоретическое исследование, в результате которого:

— определено влияние основных технологических параметров процесса обкатки на напряженно-деформированное состояние и упрочнение поверхностного слоя тонкостенной заготовки и свойства получаемых изделий.

— установлено, что эффективность поверхностного упрочнения тонкостенных изделий роликами большого диаметра ограничена предельной глубиной внедрения роликов порядка 0,01 толщины стенки, превышение которой вызывает раскатку детали, при этом твердость обработанной поверхности увеличивается не более, чем на 5. 10% в зависимости от диаметра ролика.

— установлено, что интенсификация процесса упрочнения достигается приложением к ролику тормозной силы, близкой к предельной, при которой возможно проскальзывание ролика относительно обкатываемой поверхности, при этом расчетные значения сдвиговых деформаций по сравнению с обычной обкаткой увеличиваются в 3 — 4 раза, упрочнение возрастает до 36%.

3. Разработана новая технология, обеспечивающая интенсификацию упрочняющей обкатки роликами тонкостенных осесимметричных изделий, и произведено ее экспериментальное опробование. Предложенные технические решения защищены 3 патентами Российской Федерации.

4. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование процесса обкатки роликами тонкостенных втулок из сплава Ал4, анализ результатов которого показал следующее:

— радиальное биение заготовки после обкатки обкатным устройством малой жесткости уменьшается незначительно, что не позволяет использовать его для уточняющей размерной обработки, но позволяет добиться равномерного упрочнения поверхности за счет малого колебания усилия обкатки;

— шероховатость поверхности после обкатки соответствует чистовому шлифованию, что в ряде случаев позволяет применять обкатку роликами вместо отделочной абразивной обработки;

— наибольшее влияние на шероховатость оказывает величина радиальной и тормозной сил;

— нагружение ролика тормозной силой в процессе обкатки при неизменной величине радиальной силы позволяет добиться большего упрочнения поверхности без раскатки заготовки.

5. Разработана научно обоснованная методика определения технологических параметров процесса обкатки с торможением ролика для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.