Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе энергетического критерия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Подольский, Максим Александрович

• Подольский, Максим Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Подольский, Максим Александрович

ВВЕДЕНИЕ 4. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Закономерности упрочнения деталей методами ППД 7.

1.2 Основные подходы к оценке эффективности процессов ППД 23.

1.3 Энергетические представления процесса деформации и разрушения твердых тел 42.

1.4 Цели и задачи исследований 49.

2. СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРОЧНЕНИЯ ППД.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕТОДОВ ППД НА ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ С ПОЗИЦИЙ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

2.1 Структурно - энергетическая сущность упрочнения ППД

2.2 Моделирование процесса, выявление энергетического параметра и энергетического критерия эффективности упрочнения ППД

2.3 Влияние силовых факторов и качества исходной поверхности на эффективность процесса ППД

3.1 Методика исследований

3.2 ППД в среде соударяющихся частиц

3.3 ППД направленным потоком частиц

3.4 ППД порционными массами частиц

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КРИТЕРИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе энергетического критерия»

Одной из важнейших задач современного машиностроения является улучшение качества, повышение надёжности и долговечности выпускаемых машин и изделий. Перспективным направлением в обеспечении этих показателей является освоение прогрессивных ресурсосберегающих технологических процессов позволяющих изготавливать детали с наименьшей себестоимостью и наибольшей производительностью.

Среди множества способов повышения надежности деталей особое место занимают методы поверхностного упрочнения. Известно, что надёжность непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое характеризуется геометрическими (шероховатость, волнистость, макроотклонения) и физико-механическими (микротвёрдость, остаточные напряжения и др.) параметрами. От качества поверхностного слоя зависят такие эксплуатационные свойства как сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др., которые формируются на протяжении всего технологического процесса обработки деталей. Это означает, что критерием оценки качества каждой детали сейчас является не только точность выдерживаемого размера и шероховатости поверхности, но и физико-механические свойства поверхностного слоя: остаточное напряжение, наклеп, характеризующееся степенью и глубиной, рельеф микрогеометрии. Все эти параметры поверхностного слоя имеют в большинстве случаев превалирующее значение в обеспечении надежбности работоспособности детали и всего изделия в целом.

Среди широкой гаммы способов окончательной обработки одними из наиболее перспективных являются методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Сущность ППД заключается в том, что требуемые размеры и качество поверхностей деталей достигается не срезанием материала, а его пластическим формоизменением. В процессе ППД одновременно с обработкой поверхности детали производится ее упрочнение, и как следствие значительно улучшаются эксплутационные свойства детали, повышается их надежность. Применение ППД позволяет эффективно влиять на повышение долговечности деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, трения и воздействия коррозионных сред. Во многих случаях применением ППД удаётся повысить запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,5-3раза, увеличить срок службы в десятки раз.

Но применение упрочнения ППД, не смотря на большой опыт, накопленный в данной области, на сегодняшний день сталкивается с рядом проблем касающихся проектирования новых производственных процессов, а также повышением производительности и качества уже существующих. Несмотря на многочисленные исследования, в настоящее время не сложилось объективных инженерных методик оценки эффективности упрочнения, выбора оптимального метода ППД и режима упрочнения. Все существующие рекомендации по оценке эффективности и подбору оптимального режима упрочнения ППД сводятся к определению глубины упрочнения и параметров обработки не приводящих к разрушению обрабатываемой поверхности в процессе изготовления. При этом данные рекомендации применимы для определенного метода или группы методов, что затрудняет сравнительный анализ различных методов ППД и, как следствие, не позволяет обеспечить максимальную надежность деталей при оптимальных технико-экономических показателях.

Таким образом, актуальность темы обусловлена с одной стороны, практической значимостью и перспективностью широкого применения ППД деталей, а, с другой стороны, необходимостью разработки научно-обоснованной методики оценки эффективности упрочнения ППД.

Современные достижения физики позволяют в основу решения этой задачи положить основные положения термодинамической теории прочности и разрушения твердых тел. Анализ энергетического баланса процесса ППД позволяет сделать вывод, что в качестве одного из параметров, однозначно и интегрально характеризующих структурное состояние деформируемых объемов твердого тела, может использоваться плотность потенциальной (скрытой) составляющей внутренней энергии Ер, накапливаемой в металле. При этом необходимо отметить, что данный параметр описывает не только упрочнение, достигаемое в результате ППД, но также позволяет учитывать влияние других, предшествующих ППД, обрабатывающих операций, то есть учитывает «наследственность» материала.

А в качестве критерия максимальной эффективности ППД следует принять предельную величину скрытой энергии, накопленную в рассматриваемом элементе поверхностного слоя, по аналогии с процессом плавления, равную разности энтальпии данного материала в твердом состоянии при температуре плавления и энтальпии при 293 °К.

Также выявлена зависимость плотности скрытой энергии в поверхностном слое от силовых факторов процесса ППД и качества обрабатываемой поверхности, что позволило разработать методику выбора технологических режимов обработки, в основу которой положен термодинамический критерий эффективности упрочнения деталей методами ПОД.

Таким образом, объектом настоящего исследования является процесс повышения эксплуатационных свойств деталей методами ППД. Предметом исследования являются энергетические аспекты упрочнения поверхностного слоя в результате поверхностной пластической деформации.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Подольский, Максим Александрович

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Предложенная структурно-энергетическая модель упрочнения поверхностного слоя при обработке 1111Д позволяет прогнозировать плотность скрытой энергии, накапливаемой в поверхностном слое для механически упрочняемых сплавов.

2. При обработке динамическими методами ППД в локальных объемах поверхностного слоя за счет возникающих дефектов кристаллической решетки накапливается внутренняя скрытая энергия, ответственная как за упрочнение, так и за разрушение металла.

3. Скрытая энергия, накапливаемая в поверхностном слое при ППД, является параметром однозначно и адекватно характеризующим процесс упрочнения.

4. В качестве энергетического критерия эффективности упрочнения ППД может быть принята величина предельной плотности скрытой энергии, запасенной в локальном микрообъеме поверхностного слоя, равная разности энтальпии данного материала в твердом состоянии при температуре плавления и при 293 °К.

5. Рост плотности скрытой энергии зависит от режимов упрочнения определяемых технологическими возможностями метода ППД, а также твердости материала и других технологических параметров процесса.

6. Структурно-энергетическая модель и энергетический критерий эффективности упрочнения ППД позволяют с погрешностью 10 - 15 % оценить эффективность упрочнения деталей динамическими методами ППД.

7. Предложенная методика и программа выбора технологических режимов позволяет с использованием ЭВМ выбирать эффективные технологические режимы операций упрочнения динамическими методами ППД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Подольский, Максим Александрович, 2005 год

1. Аксенов В.Н. Совершенствование процесса отделочно-уггрочняющей обработки многоконтактным виброударным инструментом с учетом ударно-волновых явлений. Дисканд. техн. наук : 05.02.08 / Аксенов В.Н.; Д1ТУ.

2. Ростов-на-Дону, 2000 -158 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: В 3-х т. / Анурьев В.И. Т. 1. - 5-е изд., переаб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. -728 е., ил.

4. Бабичев А. П. Основы вибрационной обработки. / Бабичев А. П., Бабичев И. А. Изд. ДГТУ, Ростов-на-Дону, 1999.-620с.

5. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей / Бабичев А. П. М.: Машиностроение, 1974.134 с.

6. Бабичев А.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом / Бабичев А.П., Мотренко П.Д. и др. Ростов-на-Дону, Изд. центр ДГТУ, 2003. - 192 с.

7. Болыпанина М. А. Исследования по физике твердого тела / Болыпанина М. А. и Панин В. Е. М. Изд-во АН СССР, 1957,-422.

8. Васильев B.C. Оценка степени пластической деформации поверхностного слоя по твердости / Васильев B.C. Труды Моск. авиац. ин-та, 1972. Вып.257. С.45-51.

9. Виноградов В.Н. Изнашивание при ударе / Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. М.: Машиностроение, 1982.-192с.

10. Власов С.Н. Повышение работоспособности режущего инструмента путем комбинированной упрочняющей обработки Дис. канд. техн. наук, 05.03.01 / Власов С.Н.: Ульяновск, 2000

11. Генкин М.Д. Повышение надежности тяжело нагруженных зубчатых передач / Генкин М.Д., Рыжов М.А., Рыжов Н.М. М.: Машиностроение, 1981,231 с.

12. Герцрикен С. Д. Физические основы прочности и пластичности металлов / Герцрикен С. Д. М., 1963,-264с.

13. Гжиров Р. И. Краткий справочник конструктора / Гжиров Р. И. Л.: «Машиностроение», 1986.-464с.

14. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов / Григорович В.К. -М.: издательство Наука, 1976.-213 е., ил.

15. Двадиенко И.В. Повышение работоспособности режущего инструмента. Дис. . канд. техн. наук: 05.03.01 / Двадненко И.В. ДГТУ; Ростов-на-Дону, 2000-146 с.

16. Дрозд М.С. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации / Дрозд М.С., Маталин М.М., Синякин Ю.И. М.: Машиностроение, 1986.-224 е., ил.

17. Дрозд М.С. Исследование деформаций металла при ППД стальных деталей / Дрозд М.С., Шевченко B.JI. Повышение циклической прочности материалов методами ППД. Пермь: ППИ, 1974. С. 15-16.

18. Елизаветин М.А.Технологические способы повышения долговечности машин / Елизаветин М.А., Сатель З.А. М.: Машиностроение, 1969 - 399 с.

19. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов / Иванова B.C. М.: Металлургиздат, 1963.-272с.

20. Кашникова Ю. А. Упрочнение поверхности структурно-неоднородных металлоизделий методом пластической деформации Дис. . канд. техн. наук : 05.16.05 / Кашникова Ю. А. Магнитогорск, 1999 - 168 с.

21. Колмогоров JIM. Напряжения. Деформации. Разрушение. / Колмогоров JI.M. М.: Металлургия, 1970. -229 с.

22. Копылов Ю.Р. Динамика процесса и технология виброударного упрочнения деталей сложной формы. Дис. докт. техн. наук: 05.02.08 / Копылов Ю.Р. -Воронеж, 1990-361 с.

23. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении / Кудрявцев И.В. М.: Машгиз, 1951 .-278с.

24. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наютепа ударным способом / Кудрявцев И.В. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа. Труды ЦНИИТМАШ, кн. 108. М.: Машиностроение, 1965.

25. Лебедев В. А. Системное проектирование операций упрочняющей обработки методами ППД / Лебедев В. А., Прокопец Г. А. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2002.-200с.

26. Лебедев В.А. Оценка эффективности упрочнения деталей методами ППД на основе термодинамических представлений процесса / Лебедев В.А., Подольский М. А. // Вестник машиностроения. М.: 2004. №6. - С. 63 - 65.

27. Лебедев В.А. Основы проектирования типовых технологических операций ППД / Лебедев В.А., Прокопец Г.А., Подольский М. А. // Качество машин: сб. науч. тр. междунар. науч. техн. конф., 10-11 мая. - Брянск: БГТУ, 2001. -С. 72-74.

28. Лебедев В.А., Сибирский В.В. Оценка эффективности упрочнения деталей машин динамическими методами ППД / Лебедев В.А., Сибирский В.В. // Применение новых материалов в сельхозмашиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. Ростов-на-Дону, 1991.

29. Маталин A.A. Технологические методы повышения долговечности машин / Маталин A.A. Киев: Техника, 1971,142 с.

30. Мищенко Р.А. Модель выбора ППД при оптимизации операции упрочнения / Мищенко Р.А., Подольский М. А. // Вопросы вибрационной технологии: межвузовский сб. ст. Ростов-на-Дону: ДГТУ 2004. - С. 115 - 120.

31. Могутнов Б. М. Теплоемкость и термодинамические функции железа / Могутнов Б. М., Томилин И. А. Изв. АН СССР, 1967, №4, с. 28.34.

32. Морозов В.И. Наклеп дробью тяжело нагруженных зубчатых колес / Морозов В.И., Шубина Н.Б. М.: Машиностроение, 1972,104 с.

33. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным и пластическим деформированием / Одинцов Л.Г. М.: Машиностроение, 1987.328 с.

34. Олейник Н.В. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин / Олейник Н.В., Кычин В.П., Луговской А.Л. Киев: Техника, 1984,150с.

35. Осипов К.А. Вопросы теории жаропрочности металлов и сплавов / Осипов К.А.-М., 1960,-134с.

36. Осипов К.А. Некоторые активируемые процессы в твердых металлах и сплавах / Осипов К.А. М.:АН ССР, 1962.-129с.

37. Отрадный В.В. Работоспособность стальных деталей, подвергаемых объемному упрочнению пластическим деформированием / Отрадный В.В. Известия ВУЗов машиностроения М. 2002 №4 С18-22.

38. Павлов А.П. Механическое состояние и прочность материалов / Павлов А.П. Л.: Изд-во Ленигр. ун-та, 1979.176 с. ил.

39. Павлов В. А. Физические основы пластической деформации металлов / Павлов А.П. Москва.: Издательство академии наук СССР, 1962.-198с.

40. Папшев Д.Д. Отделочно упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / Папшев Д.Д. - М.: Машиностроение, 1978, 152 с.

41. Пахомова, С.А. Разработка технологии поверхностного деформационного упрочнения теплостойких сталей для высоконагруженных зубчатых колес с целью повышения их эксплуатационных свойств Дис. .канд. техн. наук : 05.16.01 / Пахомова, С.А. М., 1994 -136 с.

42. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента / Петросов В.В. М.: Машиностроение, 1977.166 с.

43. Подольский М. А. Анализ экспериментальных данных с позицй термодинамической модели упрочнения ППД / Подольский М. А. // Вопросы вибрационной технологии: межвузовский сб. ст. Ростов-на-Дону: ДГТУ 2004.-С. 78-82.

44. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2 т. / Поляк М.С. -М.: Л. В. М. -СКРИПТ, «Машиностроение», 1995.-832с., 688с.

45. Попов М.Е. Обработка деталей методами поверхностного пластического деформирования / Попов М.Е., Лебедев В.А. Ростов - на - Дону, РИСХМ -1986,45 с.

46. Прокопец Г.А. Интенсификация процесса виброударной обработки на основе повышения эффективности вибрационного воздействия и учета ударно-волновых процессов. Дис. . канд. техн. наук: 05.02.08 / Прокопец Г.А. Ростов-на-Дону, 1995 - 196с.

47. Регель В.Р. и др. Кинетическая природа прочности твердых тел / Регелъ В.Р. идр.-М., 1974.-167с.

48. Рыковский Б.П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом / Рыковский Б.П., Смирнов В.А, Щетинин Г.М. М.: Машиностроение, 1985 -152 с.

49. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп / Саверин М.М. М.: Машгиз, 1955, 312 с.

50. Серебряков В.И. Формирование остаточных напряжений при дробеупрочнении / Серебряков В.И. / / Новое технол. оборуд, оснастка и инструм. дня мех. обраб. и сборки: Матер, семин. М, 1990. С. 45 49.

51. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей и машин в технологических процессах ППД / Смелянский В.М. М.: Объединение «Машмир», 1992.-60с.

52. Соловьев Д. Л. Обеспечение качества деталей машин упрочняющей статико-импульсной обработкой Дис. канд. техн. наук : 05.02.08 / Соловьев Д. Л. -Муром, 1998-185 с.

53. Тарасова Е.А. Разработка и исследование способов комбинированной упрочняющей обработки для повышения эксплуатационных свойств винтовых передач Дис. . канд. техн. наук : 05.02.08 / Тарасова Е.А.-Н.Новгород, 2000 132 с.

54. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел / Федоров В.В. Ташкент.: Издательство «ФАН», 1985.-166с.

55. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел / Федоров В.В. Ташкент.: Издательство «ФАН», 1979,-168с.

56. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов / Френкель Я. И. М., 1958,-368с.

57. Холоденко Н.Г. Виброударная отделочная обработка гребных винтов в условиях судоремонтного производства. Дис. . канд. техн. наук : 05.02.08 / Холоденко Н.Г. Ростов-на-Дону, 2001

58. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным деформированием / Чепа П.А. Минск: Наука и Техника, 1980.-98с.

59. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / Чепа П.А. Минск: Наука и техника, 1981. 128 с.

60. Чепа П.А. Эксплуатационные свойства упрочненных деталей / Чепа H.A., Андрияшин В.А. Минск: «Наука и Техника», 1988.-192с.

61. Шевцов С.Н. Компьютерное моделирование динамики гранулированных сред в вибрационных технологических машинах / Шевцов С.Н. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ. - 194 с.

62. Школьник JI.M. Методика усталостных испытаний / Школьник JI.M. -Справочник. М.: Металлургия, 1978.304 с.

63. Юркевич А. П. Интенсификация упрочняющей обработки на основе улучшения контактноговзаимодействия . Дис. канд. техн. наук : 05.02.08 / Юркевич А. П. Ростов-на-Дону. 1985 -169с.