Получение осесимметричных изделий с градиентными механическими свойствами методами многоцикловой комплексной локальной деформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Дорохов, Даниил Олегович

• Дорохов, Даниил Олегович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дорохов, Даниил Олегович

Введение.

1. Анализ технологии упрочнения.

1.1 Анализ способов и методов упрочнения.

1.2 Анализ существующих способов упрочнения методами обработки металлов давлением (ОМД).

1.2.1 Объемное упрочнение ОМД.

1.2.2 Поверхностное пластическое деформирование (ППД).

1.2.3 Объемное и поверхностное пластическое упрочнение.

1.3 Анализ возможности использования новых методов ОМД в качестве упрочняющих.

1.4 Валковая штамповка как метод многоциклового комплексного локального деформирования.

1.4 Валковая штамповка как метод многоциклового комплексного локального деформирования.

Выводы по разделу.

2. Разработка технологического процесса и экспериментальные исследования многоциклового комплексного локального деформирования.

2.1 Разработка технологического процесса.

2.2 Экспериментальная оснастка для реализации способа.

2.3. Выбор материала для эксперимента.

2.4. Условия экспериментальных исследований.

2.5. Методика математического планирования эксперимента, статистической обработки результатов и оценки погрешности.

2.6. Определение механических свойств сплава Бр05С5Ц5.

2.7. Распределение параметров микротвердости по сечению при различных силах и количестве проходов (циклов нагружения).

Выводы по разделу.

3. Теоретическое исследование процесса многоциклового комплексного локального деформирования.

3.1 Методика теоретического исследования.

3.2 Особенности пластического деформирования при многоцикловом комплексном локальном деформировании.

3.3 Описание используемой математической модели и алгоритма ее. программной реализации.

3.4 Геометрия модели и исходные данные для моделирования.

3.5 Результаты математического моделирования и их сравнение с экспериментальными данными.

Выводы по разделу.

4. Разработка новых технологий многоциклового комплексного локального деформирования и методики ее проектирования.

4.1. Разработка новых технологий многоциклового комплексного локального деформирования.

4.2 Методика проектирования новых технологических процессов комплексного локального деформирования.

Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение осесимметричных изделий с градиентными механическими свойствами методами многоцикловой комплексной локальной деформации»

Возрастающие требования к характеристикам прочности и износостойкости деталей машин и приборов приводят к необходимости создания изделий с уникальными свойствами, что обеспечивается созданием, в частности, градиентной нано - и субмикроструктуры материала. Формировать подобные структуры возможно различными способами, например, интенсивной пластической деформацией (ИПД), а также хорошо известными методами поверхностного пластического деформирования (ППД). Упрочнение проводят для деталей различного назначения, работающих в условиях интенсивного трения, агрессивной среды, высокой температуры, испытывающих знакопеременную и импульсную нагрузку, при этом упрочнение связано с изменением фазового или химического состава части или всей детали с фрагментацией структурных составляющих. Эффект упрочнения может носить поверхностный, а также изотропный или градиентный объёмный характер.

Одним из методов повышения эксплуатационных характеристик изделий является обработка давлением, при этом упрочнение связано с фрагментацией и значительной степенью разориентировки зерен. Выбор того или иного метода упрочняющей обработки или ИПД должен носить комплексный характер: быть экономически выгодным, отвечать условиям работы изделия, иметь возможность многоцелевого применения. Для решения практических задач перспективным является направление, соединяющее в себе ППД и ИПД и сочетающее в себе преимущества указанных методов. Примером такой технологии является многоцикловая комплексная локальная деформация.

Одним из направлений создания материалов с градиентными механическими свойствами является валковая штамповка (ВШ), являющаяся комбинированным методом, сочетающим в себе монотонное нагружение и локальное деформирование. С некоторыми модификациями способ ВШ может быть применен как многоцикловой процесс формирования требуемых механических свойств.

Однако, создание градиентных механических свойств материала методами пластического деформирования, в частности, способом многоцикловой комплексной локальной деформации, исследовано в недостаточной степени. Отсутствие математического описания и достаточных экспериментальных исследований замедляет широкое использование подобных методов в практике.

Поэтому, задача по исследованию валковой штамповки как метода многоцикловой комплексной локальной деформации для создания осесимметрич-ных изделий с заданными градиентными механическими свойствами является актуальной.

Цель работы: повышение прочностных характеристик осесимметричных изделий путем создания градиентных механических свойств методами многоцикловой комплексной локальной деформации.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка технологического процесса и экспериментальной оснастки для получения осесимметричных изделий с градиентом механических свойств по сечению методом многоцикловой комплексной локальной деформации.

2. Разработка методики и проведение комплекса экспериментальных исследований на разработанной оснастке с вариацией силовых и цикловых параметров для установления зависимостей между ними и параметром Удквиста (д), микротвердостью (Нм), градиентом упрочнения (АЯ^), глубиной упрочненного слоя (/2^).

3. Разработка математической модели мноцоциклового комплексного локального деформирования с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающего обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел.

4. Проведение анализа математической модели и установление функциональных зависимостей между параметрами нагружения (количество циклов деформирования, сила) и показателями упрочнения.

5. Разработка новых технологических процессов многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющих получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои и методов их проектирования.

Объектом исследования является процесс многоцикловой комплексной локальной деформации для создания осесимметричных изделий с заданными градиентными механическими свойствами.

Предметом исследования являются параметры указанного процесса: количество циклов деформирования (проходов) п, силы деформирования, их влияние на напряженно-деформированное состояние изделия и показатели упрочнения: параметр Удквиста ду микротвердость Нм, градиент упрочнения АЯ^, глубина упрочненного слоя hu.

Методы исследования: в статистические методы планирования эксперимента и обработки результатов, в анализ результатов экспериментов с применением прикладного программного обеспечения MathCAD 13, MS Excel 2007 и Statistica 6.0, математическое моделирование с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающего обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел, реализуемого пакетом прикладных программ «Штамп».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных характеристик осесимметричных изделий путем создания градиентных механических свойств методами многоцикловой комплексной локальной деформации. В результате анализа экспериментальных данных установлены:

- зависимость глубины упрочнения формируемого слоя от количества циклов деформирования/^ = if (и);

- зависимость микротвердости материала изделия от текущей глубины слоя и количества циклов деформирования Нм = /(Им;п);

- зависимость упрочнения от отношения текущей глубины слоя к толщине всего изделия и количества циклов деформирования АНР = S^/fj'^j I

2. Впервые разработана математическая модель многоциклового комплексного локального деформирования с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающей обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких и систему разрешающих уравнений для конечных элементов на основе метода Рунге-Кутта, реализуемая пакетом прикладных программ «Штамп»;

3. В ходе анализа математической модели установлены зависимости между параметром Удквиста (q), микротвердостью (H/t), градиентом упрочнения

АЯ^), глубиной упрочненного слоя (hp) в функции от числа циклов деформирования и текущей глубины слоя.

Достоверность полученных результатов, подтверждается применением научно обоснованного планирования эксперимента и обработки полученных данных в прикладных программных пакетах MathCAD 13, MS Excel 2007 и Statistical 6.0, использованием поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных устройств.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических параметров многоциклового комплексного локального деформирования.

Практическая ценность полученных результатов и реализация работы:

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований:

1. Получена методика определения числа циклов деформирования в зависимости от требуемых параметров упрочнения на основе анализа распределения параметра Удквиста по сечению.

2. Предложен ряд новых схем многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющих получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои.

3. Получены осесимметричные изделия 0„ар.=45мм и {¿внуг.=30мм с градиентом механических свойств по сечению из литой заготовки малопластичного сплава Бр05Ц5С5.

4. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» в Орловском государственном техническом университете.

Автор защищает:

1. Методику, оснастку и результаты экспериментальных исследований по выявлению зависимостей между показателями упрочнения и параметрами процесса многоциклового комплексного локального деформирования: зависимость глубины упрочнения формируемого слоя от количества циклов деформирования/^ = зависимость микротвердости материала изделия от текущей глубины слоя и количества циклов деформирования Ни = /(/гА;л), зависимость упрочнения от отношения текущей глубины слоя к толщине всего изделия и количества циклов деформирования АНМ •

2. Математическую модель процесса с модификацией скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, которая явно включает обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел и методику решения системы разрешающих уравнений для конечных элементов на основе метода Рунге-Кутта.

3. Полученные в результате анализа математической модели зависимости между параметром Удквиста (д), микротвердостью (Нм), градиентом упрочнения глубиной упрочненного слоя в функции от числа циклов деформирования и текущей глубиной слоя.

4. Разработанные схемы многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющие получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях в г. Орле и г. Самаре в 2007-2009 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 5 статей в научных рецензируемых изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК, для публикации трудов на соискание ученой степени кандидата наук», получен патент Российской Федерации на способ получения металлических втулок.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 58 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 106 страниц основного текста, включает 62 рисунка, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Дорохов, Даниил Олегович

Основные результаты и выводы.

В работе представлено решение актуальной научно - технической задачи по повышению эксплуатационных характеристик осесимметричных изделий путем создания градиентных механических свойств методами многоцикловой комплексной локальной деформации.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований выявлены следующие основные результаты и выводы:

1. На основании анализа технологий упрочнения, методов ИПД, технологий, сочетающих в себе традиционное монотонное (локальное или глобальное) нагружение заготовки в комплексе с периодическим локальным воздействием на очаг деформации, установлено, что наиболее перспективным направлением по формированию градиентных механических свойств осесимметричных изделий, является модификация метода валковой штамповки, заключающаяся в монотонном нагружении и комплексном локальном деформировании заготовки.

2. Разработана экспериментальная оснастка для получения осесимметричных изделий с градиентом механических свойств по сечению методом многоцикловой комплексной локальной деформации, позволяющая в широком диапазоне изменять параметры процесса.

3. Получены осесимметричные изделия ф 1Шр =45мм и ф Ш1уг.=30мм с градиентом механических свойств по сечению из литой заготовки малопластичного сплава Бр05Ц5С5 и установлены:

- зависимость глубины упрочнения от количества циклов деформирования Л, =

- зависимость величины микротвердости от текущей глубины слоя и количества циклов деформирования Нр = /(им;п);

- зависимость степени упрочнения от отношения текущей глубины слоя к толщине всего изделия и количества циклов деформирования АЯ^ = \

4. Разработана математическая модель многоциклового комплексного локального деформирования с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающая обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких и систему разрешающих уравнений для конечных элементов на основе метода Рунге-Кутта. В ходе анализа модели установлены зависимости между параметром Удквиста (д), микротвердостью (Яр), градиентом упрочнения (АЯ/Л ), глубиной упрочненного слоя в функции от числа циклов деформирования, и текущей глубины слоя: AH/J=g = и>(и).

5. Показано, в ходе экспериментальных работ на материале Бр05Ц5С5, и анализа математической модели, что с ростом циклов деформирования происходит, увеличение твердости поверхностных слоев (при = 100 мкм, Р\,=310 Н, п от 1 до 38 твердость увеличивается максимально в 1,20 раза). С увеличением п растет глубина упрочненной зоны Ир (при Р'и=310 Н, п от 1 до 38 увеличивается в 2,90 раза), уменьшается градиент наклепа.

6. Предложены новые схемы многоциклового комплексного локального деформирования для создания градиентных механических свойств осесиммет-ричных изделий. На указанные способы поданы заявки на получения патента Российской Федерации.

7. Проанализировано изменение параметра Удквиста при П1-П38. На основе анализа разработана методика проектирования процессов многоциклового комплексного локального деформирования в зависимости от требуемых параметров упрочнения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дорохов, Даниил Олегович, 2009 год

1. Валиев, Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией Текст. / Р.З. Валиев, И.В. Александров. М.: Логос, 2000. - 271с.

2. Голенков, В.А. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением Текст. / В.А. Голенков, А.М. Дмитриев, В.Д. Кухарь, С. Ю. Радченко, С. П. Яковлев, С.С. Яковлев. М: Машиностроение, 2004. -464с.

3. Рыжов, Э.В. Технологические методы повышения износостойкойсти деталей машин Текст. / Э.В. Рыжов. Киев: Наук. Думка, 1984. - 272с.

4. Киричек, A.B. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием Текст. / A.B. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. М.: Машиностроение, 2004. - 288с.

5. Полевой, С. Н. Упрочнение машиностроительных материалов Текст.: справочник / С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов. М.: Машиностроение, 1994. -496с.

6. Батлер, М. А. Упрочнение деталей машин Текст. / М.А. Балтер. М.: Машиностроение, 1968. - 196с.

7. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием Текст.: справочник / Л. Г. Одинцов. М.: Машиностроение, 1987. - 328с.

8. Поляк, М.С. Технология упрочнения. Т. 1 Текст. / М.С. Поляк. М.: «Л.В.М. -СКРИПТ»: Машиностроение, 1995. - 832с.

9. Шнейдер, Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением Текст. / Ю.Г. Шнейдер. М.: Машиностроение, 1970. - 248с.

10. Шнейдер, Ю.Г. Регуляция микрорельефов поверхностей деталей машин Текст. / Ю.Г. Шнейдер // Вестник машиностроения. 1982. - №5. - С.8-10.

11. Шестаков, В.В. Факторы, влияющие на степень поверхностного пластического упрочнения при обработке стальными шариками Текст. /В.В. Шестаков,

12. Л.П. Крючков, Б.П. Кузьмичев // Вестник машиностроения. 1984. - №5. - С.67-68.

13. Браславский, В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами Текст. /В.М. Браславский. М.: Машиностроение, 1966. - 160с.

14. Короткий, Г.П. Разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой тонкостенных осесимметричных изделий Текст.: дис. канд. техн. 05.03.05 / Короткий Геннадий Петрович. М., 2005. - 125с.

15. Хворостухин, Л.А. Обработка металлопокрытий выглаживанием Текст. / Л.А. Хворостухин, В.Н. Машков, В.А. Торпачев. М.: Машиностроение, 1980. -64с.

16. Одинцов, Л.Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживание и вибровыглаживанием Текст. / Л.Г. Одинцов. М.: Машиностроение, 1981.-160с.

17. Торбило, В.М. Алмазное выглаживание Текст. / В.М. Торбило. М.: Машиностроение, 1972. - 104с.

18. Технологические основы обеспечения качества машин Текст. / под ред. К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. - 256с.

19. Монченко, В.П. Эффективная технология производства полых цилиндров Текст. /ВЛ. Монченко. М.: Машиностроение, 1980. - 248с.

20. Степанов, В.Г. Поверхностное упрочнение корпусных конструкций Текст. /В.Г. Степанов, М.И. Клестов. Л.: Судостроение, 1977. - 197с.

21. Андрианов, А.И. Прогрессивные методы технологии машиностроения Текст. / А.И. Андрианов. М.: Машиностроение, 1975. - 240с.

22. Хамматов, В.К. Наклеп сварных соединений гидродробеструйной обработкой Текст. / В.К. Хамматов, В.А Шканов // Вестник машиностроения. -1977. -№4. С.57-58.

23. Марков, А.И. Ультразвуковая обработка материалов Текст. / А.И. Марков. -М.: Машиностроение, 1980. 237с.

24. Коновалов, Е.Г. Чистовая и упрочняющая ротационная обработка поверхностей Текст. / Е.Г. Коновалов, В.А Сидоренко. Минск: Вышейш. шк., 1968.364 с.

25. Мэтсон, Р. JI. Усталость, остаточные напряжения и упрочнение поверхностного слоя наклепом Текст. / Р. JI. Мэтсон // Усталость металлов: сб. ст. М.: Изд-во ИЛ, 1961.

26. Бейгельзимер, Я. Е. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации Текст. /Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков. Донецк: Фирма ТЕАН, 2003. - 87с.

27. Теория образования текстур в металлах и сплавах Текст. М.: Наука, 1979. - 243с.

28. Структура межкристаллитных и межфазных границ Текст. М.: Металлургия, 1980. - 256с.

29. Розенберг, O.A. Механика взаимодействия инструмента при деформирующем протягивании Текст. / O.A. Розенберг. Киев: Наукова думка, 1981. -288с.

30. Макушок, Е.М. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования Текст. / Е.М. Макушок, Т.В. Калиновская,

31. С.М. Красневский. Минск: Наука и техника, 1988. - 184с.

32. Федоров, Т.В. Разработка технологии валковой штамповки полых осесим-метричных изделий с буртом Текст.: дис. канд. техн. наук: 05.03.05: / Федоров Тимофей Васильевич. М., 2006. - 105 с.

33. Утяшев, Ф.З. Раскатка колец из высокожаропрочных никелевых сплавов в условиях сверхпластичности Текст. / Ф.З. Утяшев, Р.Г. Баймурзин, В.А. Плеханов // Кузнечно-иггамповочное производство. 1999. -№7. - С.14-17.

34. Могильный, И.И. Ротационная вытяжка оболочных деталей на станах Текст. / И.И. Могильный. М.: Машиностроение, 1983. - 190с.

35. Подшипники из алюминиевых сплавов Текст. М.: Транспорт, 1974.-256с.

36. Осинцев, O.E. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки Текст.: справочник / O.E. Осинцев, В.Н. Федоров. М.: Машиностроение, 2004. -336с.

37. ГОСТ 613-79. Бронзы оловянные литейные. Марки. Введ. 1979. 26.04.79. -М.: Изд-во стандартов, 1979. - 5с. - (Государственный стандарт Союза СССР).

38. Райков, Ю.Н. Обработка меди Текст.: учебное пособие / Ю. Н. Райков. -М.: Цветметобработка, 2006: 448с.

39. Спиридонов, A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов Текст./ A.A. Спиридонов. — М.: Машиностроение, 1981.-184с.

40. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов Текст./ И. Н. Бронштейн, К. А Семендяев. М.: Наука: Лейпциг: Тойб-нер, 1979. - 976с.

41. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст./ Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1986. - 720с.

42. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента Текст./ X. Шенк. М.: Мир, 1972. - 382с.

43. Дель, Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости Текст. / Г.Д. Дель. М.: Машиностроение, 1971. - 199с.

44. Зенкевич, О. С. Метод конечных элементов в технике Текст. / О. Зенкевич; пер. с анг.; под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1975. - 542с.

45. Голенков, В. А. Пакет прикладных программ для моделирования процессов обработки металлов давлением Текст. / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, В. М. Тюков //Тезисы докладов Российской научно-технической конференции. Москва, МГАТУ, 1994.

46. Морев, П. Г. Конечноэлементный анализ упругопластических моделей в процессах ОМД Текст. / П.Г. Морев // Сборник научных трудов ОрёлГТУ. 1996, т. 9, С.42-47.

47. Морев, П. Г. Вариант метода конечных элементов для контактных задач с трением Текст. / П.Г. Морев // Известия РАН, сер. Механика твёрдого тела. 2007, №4, С.168-182.

48. Толоконников, О. JI. Исследование процесса формоизменения с учётом конечности деформаций Текст. / О. JI. Толоконников, А. А. Маркин, В. Ф. Астапов // Прикладная механика, 1983. т. 19.- №10.- С. 122-125.

49. Поздеев, A.A. Большие упругопластические деформации: теория, алгоритмы, приложения Текст. / A.A. Поздеев, П.В. Трусов, Ю.И. Няшин. М.: Наука, 1986.-231с.

50. Тетерин, П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки Текст. / П.К. Тетерин.- М.: Металлургия, 1971. 368с.

51. Малинин, H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести Текст. / H.H. Малинин. М: Машиностроение, 1975, - 400с.

52. Полухин, П.И. Физические основы пластической деформации Текст. / П. И. Полухин, С. С. Горелик, В. К. Воронцов.- М.: Металлургия, 1982. 584с.

53. Малинин, В.Г. Структурно-аналитическая теория физической мезомехани-ки Текст. / В.Г.Малинин, H.A. Малинина // Вопросы материаловедения. -2002.- №1(29). С.123-143.