Повышение эффективности процесса алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов на основе определения рациональных условий обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Швецов Алексей Николаевич

• Швецов Алексей Николаевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Швецов Алексей Николаевич

Введение

1 Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования

1.1 Характеристика и общий анализ процессов выглаживания поверхностей деталей

1.2 Математические модели управления процессом выглаживания

и пути их совершенствования

1.3 Исследование теплонапряжённости процессов выглаживания

1.4 Исследование шероховатости поверхности

1.5 Остаточные напряжения и сопротивление усталости деталей

1.6 Теоретические и экспериментальные исследования глубины пластической деформации поверхностного слоя при выглаживании

1.7 Устройства, приспособления и способы выглаживания

1.8 Выводы и задачи исследования

2 Математическая модель для определения рациональных условий

обработки на операциях алмазного выглаживания

2.1 Выбор целевой функции

2.2 Выбор технических ограничений

2.3 Построение линейной математической модели

2.4 Программа для определения рациональных условий обработки

на операциях алмазного выглаживания

2.5 Выводы по главе

3 Модели для исследования тепловых явлений и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя заготовок

при алмазном выглаживании

3.1 Теоретические и экспериментальные исследования максимальной

температуры при алмазном выглаживании

3.1.1 Математическая модель для расчёта максимальной

температуры при алмазном выглаживании

3.1.2 Результаты численного экспериментального исследования максимальной температуры в зоне контакта алмазного выглаживателя с заготовкой

3.2 Модели для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя

3.2.1 Конечно-элементная модель напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя при алмазном выглаживании

3.2.2 Имитационная модель определения глубины залегания пластической деформации

3.3 Выводы по главе

4 Исследование показателей качества поверхностного слоя заготовок после

операций алмазного выглаживания

4.1 Техническое и методическое обеспечение проведения

экспериментальных исследований

4.1.1 Обрабатываемый материал

4.1.2 Оборудование, выглаживающие инструменты, образцы, оснастка и средства измерения, используемые при проведении

113

исследований

4.1.3 Общая методика проведения комплекса исследований

и обработка результатов

4.1.4 Методика исследования шероховатости поверхности

4.1.5 Методика исследования остаточных напряжений

4.1.6 Методика исследования микротвёрдости поверхности

4.2 Результаты экспериментальных исследований показателей

качества поверхностного слоя

4.2.1 Результаты исследования шероховатости поверхности

4.2.2 Исследование остаточных напряжений и глубины их залегания

4.2.3 Исследование микротвёрдости поверхности и глубины упрочнённого слоя

4.3 Выводы по главе

5 Разработка способа, приспособления и устройства для алмазного выглаживания заготовок. Апробация и внедрение результатов

исследований

5.1 Разработка способа, приспособления и устройства, предназначенных

для алмазного выглаживанием заготовок

5.1.1 Способ отделочно-упрочняющей обработки

5.1.2 Приспособление для отделочно-упрочняющей обработки наружных поверхностей

5.1.3 Устройство для алмазного выглаживания отверстий

5.2 Апробация и внедрение результатов исследования

5.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Методика определения рациональных условий

деформирования поверхностей деталей на операциях

алмазного выглаживания

Приложение Б. Акт внедрения производственных инструкций

Приложение В. Титульные листы разработанных производственных

инструкций

Приложение Г. Акт опытно-промышленной проверки выглаживания валов

турбины низкого давления ГТД семейства «НК»

Приложение Д. Акт опытно-промышленной проверки выглаживания валов

вентилятора ГТД семейства «ПД»

Приложение Е. Акт внедрения результатов диссертационной работы

в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности процесса алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов на основе определения рациональных условий обработки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Надёжность и долговечность изделий авиационной техники в значительной степени зависят от качества изготавливаемых деталей, в том числе от качества их поверхностного слоя. При этом на качество поверхностей деталей значительное влияние оказывают финишные операции, к которым относится процесс алмазного выглаживания. Данный метод отделочно-упрочняющей обработки позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности, увеличить микротвёрдость поверхностного слоя и его износостойкость, сформировать в поверхностном слое необходимые сжимающие остаточные напряжения (ОН) и, следовательно, повысить сопротивление усталости деталей.

Требуемые показатели качества поверхностного слоя могут быть обеспечены за счёт выбора рациональных метода и условий процесса алмазного выглаживания, включающих: усилие прижима инструмента к заготовке, скорость выглаживания, подачу, радиус сферы алмаза, исходную шероховатость поверхности и т.д., а также за счёт выбора наилучшей конструкции устройства для осуществления указанного ранее процесса. При этом определение рациональных условий обработки, гарантированно обеспечивающих требуемые параметры качества при максимальной производительности процесса, т.е. повышение эффективности процесса выглаживания, целесообразно осуществлять на основе использования математической модели, реализованной в программе расчёта, которая должна быть основой для разработки методики определения рациональных условий деформирования поверхностей деталей и, в частности деталей ГТД и авиаагрегатов. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на повышение эффективности процесса алмазного выглаживания является актуальной.

Степень разработанности темы. Процесс алмазного выглаживания является одним из эффективных методов отделочно-упрочняющей обработки плоских поверхностей и тел вращения. Значительный вклад в изучение различных сторон процесса алмазного выглаживания внесли советские и зарубежные учёные: Барац Я.И., Барац Ф.Я., Беляев А.С., Волков А.Ф., Грановский Э.Г., Егоров В.И.,

Иоффе М.И., Кравченко Б.А., Маркус Л.И., Машков В.М., Митряев К.Ф., Папшев Д.Д., Торбило В.М., Хворостухин Л.А., Чекин Г.И., Чепа П.А., Яценко В.К., Байли И., Брудер И., Зум А., Кониг Х., Хидэо Ц., Холл И. и др.

В работах Абульханова С.Р., Алексеева П.Г., Антонюка Ф.И., Будейкиной И.Е., Бараца Я.И., Бараца Ф.Я., Егорова В.И., Ивченко Т.Г., Кравченко Б.А., Лахе-ра С.Ш., Губанова В.Ф., Лалазаровой Н.А., Лихобабиной Н.В., Мельникова П.А., Резникова А.Н., Сидорова С.Ю., Скуратова Д.Л., Соловьева С.Н., Торбило В.М. и др. представлены математические модели, связывающие параметры, характеризующие качество поверхностного слоя и (или) функциональные параметры выглаживания, например, температуру, с параметрами процесса алмазного выглаживания: скоростью, подачей, исходной шероховатостью, усилием прижима инден-тора к заготовке, радиусом алмазного выглаживателя и т.д. К сожалению, в научной и научно-технической литературе не найдены математические модели, позволяющие определять условия деформирования, обеспечивающие при максимальной производительности процесса алмазного выглаживания значительный комплекс требований как к функциональным параметрам, так и к параметрам, характеризующим качество выглаженной поверхности, а именно: точности размера, шероховатости, микротвёрдости, остаточным напряжениям и т.п.

Широкое использование в технических расчётах программных продуктов, базирующихся на методе конечно-элементного анализа, таких как ANSYS, LS-Dyna, Deform и т.д., позволило Титову В.А. в программе ANSYS создать модель процесса алмазного выглаживания в квазистатической постановке, при которой индентору вместо скорости сообщается перемещение. Кузнецов В.П. в программе LS-Dyna смоделировал ранее указанный процесс в динамической постановке и определил пластические деформации материала и сдвиговые напряжения. Однако обе эти модели были получены авторами в двухмерной постановке, т.е. никто из авторов при построении конечно-элементных моделей не учитывал движение продольной подачи инструмента, что конечно сказывается на точности расчётов.

Решением контактных задач теории упругости деформируемых твёрдых тел занимались Галин Л.А., Мусхелишвили Н.И., Прагер В., Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Этими учёными разработаны соответствующие методики, позволяющие

определять упругие деформации при различных условиях взаимодействия полуплоскости со штампом. Однако материалов по использованию подобных методик применительно к процессу алмазного выглаживания для определения глубины деформационного упрочнения в научных и научно-технических работах найдено не было.

Для осуществления процесса выглаживания предложено большое количество схем, а также оправок и устройств. Классификация схем выглаживания приведена в работе Торбило В.М., а устройства и оправки для осуществления процесса выглаживания представлены в работах Абульханова С.Р., Губанова В.Ф., Бобровского И.Н., Лукьянова А.А. и др. Однако для расширения технологических возможностей процесса выглаживания необходима разработка новых и совершенствование уже существующих способов и устройств.

Целью диссертационной работы является повышение производительности процесса алмазного выглаживания и обеспечение требуемых параметров качества поверхности деталей ГТД и авиаагрегатов на основе определения рациональных условий поверхностного пластического деформирования материала.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

- разработаны линейная математическая модель и методика для определения рациональных условий деформирования поверхностей деталей на операциях алмазного выглаживания;

- адаптировано существующее аналитическое решение задачи о разогреве двух твёрдых инертных материалов от воздействия силы трения, связанной степенной зависимостью с температурой, для исследования температуры на операциях алмазного выглаживания;

- разработана конечно-элементная модель процесса алмазного выглаживания для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя после обработки;

- создана имитационная двухмерная модель для определения глубины распространения пластической деформации при алмазном выглаживании, базирующаяся на существующем решении контактной задачи о упругом взаимодействии

двух плоских тел, движущихся друг относительно друга с трением и адгезионным схватыванием;

- получены экспериментальные зависимости, связывающие параметры качества поверхности (шероховатость, остаточные напряжения и глубину залегания их максимума, величину и глубину наклёпа) с элементами, определяющими процесс выглаживания;

- разработаны способ, приспособление и устройство для процесса алмазного выглаживания деталей;

- проведена апробация полученных разработок при проектировании технологических процессов алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов.

Объект исследований. Процесс алмазного выглаживания деталей ГТД и авиаагрегатов.

Предмет исследований. Определение рациональных условий пластического деформирования поверхностей деталей.

Научная новизна.

1 Разработаны линейная математическая модель, реализованная в авторской программе расчёта, и методика для определения рациональных условий деформирования поверхностей деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного выглаживания как при сглаживающем, так и упрочняющем воздействии алмазного индентора.

2 Адаптирована к процессу алмазного выглаживания существующая аналитическая зависимость для определения максимальной температуры в зоне контакта двух твёрдых инертных материалов путём использования в ней новой расчётной формулы для определения номинальной площади контакта индентора с заготовкой, учитывающей образование волны пластического течения металла, имеющей неодинаковую высоту перед фронтальной поверхностью индентора. Погрешность расчётных значений температуры по сравнению с данными натурных экспериментов других авторов составила 13. 20%.

3 Разработана конечно-элементная модель, предназначенная для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя заготовок, обработанных методом алмазного выглаживания, отличающаяся от существующих

возможностью получения решения объёмной задачи и учётом движения продольной подачи индентора. Сопоставление численного и натурного экспериментов при выглаживании заготовок из сталей 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517-Ш) и 30ХГСН2А-ВД показало, что погрешность определения ОН не превышает 20%.

4 Создана имитационная модель для определения глубины распространения пластической деформации в поверхностном слое обрабатываемого материала на операциях алмазного выглаживания, базирующаяся на известном решении контактной задачи об упругом взаимодействии двух плоских тел, движущихся друг относительно друга с трением и адгезионным схватыванием. Погрешность расчёта глубины распространения пластической деформации и данных экспериментальных исследований не превысила 10%.

5 Получены экспериментальные зависимости, связывающие шероховатость поверхности (Яа), окружные и осевые остаточные напряжения и глубину залегания их максимума, а также величину и глубину наклёпа с параметрами, определяющими процесс выглаживания при обработке жаропрочной стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш и высокопрочной стали 30ХГСН2А-ВД.

6 Разработаны новые способ, приспособление и устройство для операций алмазного выглаживания, защищённые патентами РФ (патенты на изобретение № 2571011, № 2570137 и патент на полезную модель № 143565) и патентом США № 9.884.402 В2.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке линейной математической модели для определения рациональных условий деформирования поверхностного слоя деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного выглаживания, в адаптации существующей аналитической зависимости для определения максимальной температуры в зоне контакта двух твёрдых инертных материалов от воздействия силы трения применительно к процессу алмазного выглаживания путем применения новой расчётной формулы для определения номинальной площади контакта индентора с заготовкой, а также в разработке конечно-элементной и имитационной моделей соответственно для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя и определения глубины распространения пластической деформации при алмазном выглаживании.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики для определения рациональных условий деформирования поверхностного слоя деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного выглаживания, включающей разработанные модели и программы, создании производственных инструкций по приёмке алмазных выглаживающих инструментов и выбору режимов выглаживания, а также в разработке нового способа для осуществления данного процесса (патент РФ на изобретение № 2571011), приспособления и устройства для алмазного выглаживания деталей (патенты РФ на полезную модель № 143565 и изобретение № 2570137 и патент США № 9.884.402 В2).

Производственные инструкции используются на предприятии АО «Авиаагрегат» при изготовлении деталей различных агрегатов авиационной техники (акт внедрения от 15.02.2018 г.), а материалы диссертационной работы нашли применение в учебном процессе Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева (акт внедрения от 30.06.2020 г.).

Методы исследования. Общий подход к решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и компьютерном (конечно-элементном) моделировании процесса алмазного выглаживания. Для решения поставленных задач использовались симплекс-метод, методы теории функций комплексного переменного, расчётно-экспериментальные методы исследования микрогеометрии и состояния поверхностного слоя, основанные на общих представлениях о физических и механических явлениях, сопровождающих процесс алмазного выглаживания. При проведении исследований и обработки их результатов использовались: теория научного эксперимента (как полные факторные эксперименты, так и од-нофакторные опыты) и средства измерительной и вычислительной техники.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Линейная математическая модель, реализованная в авторской программе расчёта, и методика для определения рациональных условий деформирования поверхностей деталей ГТД и авиаагрегатов на операциях алмазного выглаживания.

2 Адаптированная применительно к условиям алмазного выглаживания существующая аналитическая зависимость для расчёта максимальной температуры

в зоне контакта двух твёрдых инертных материалов от воздействия силы трения, связанной степенной зависимостью с температурой.

3 Конечно-элементная модель, созданная в программном комплексе АКБУБ, для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя заготовок, обработанных методом алмазного выглаживания.

4 Имитационная модель для определения глубины распространения пластической деформации в поверхностном слое обрабатываемого материала на операциях алмазного выглаживания, базирующаяся на известном решении контактной задачи об упругом взаимодействии двух плоских тел, движущихся друг относительно друга с трением и адгезионным схватыванием.

5 Эмпирические зависимости, описывающие влияние параметров процесса алмазного выглаживания (силы выглаживания, радиуса сферы алмазного инструмента, продольной подачи, скорости выглаживания и т.д.) на шероховатость поверхности, остаточные напряжения и глубину залегания их максимума, величину и глубину наклёпа при деформировании поверхностного слоя заготовок из сталей 15Х12Н2МВФАБ-Ш и 30ХГСН2А-ВД.

6 Новые способ, приспособление и устройство для осуществления процесса алмазного выглаживания.

7 Результаты апробации разработанных методики для определения рациональных условий деформирования обрабатываемых поверхностей деталей ГТД и авиаагрегатов и производственных инструкций по приёмке алмазных выглаживающих инструментов и выбору режимов выглаживания.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью принятых допущений и ограничений в математических и компьютерной моделях, использованием известных методов расчёта, применением сертифицированного программного комплекса ANSYS, адекватностью полученных эмпирических зависимостей, проверенных по критерию Фишера, хорошей сходимостью результатов численных и натурных экспериментов между собой, а также с данными других исследователей.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных

научно-технических конференциях, форуме и конгрессе: международных научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния» (г. Самара, 2011, 2014, 2016 и 2021 гг.); международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «МИК-МУС -2011», (г. Москва, 2011 г.); всероссийской научно-технической интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении», (г. Самара, 2011 г.); международной научно-технической конференции (МК-12-ММФ) «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии», (г. Липецк, 2012 г.); международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития», (г. Москва, 2012 г.); международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, (г. Самара, 2012 г.); международных молодёжных научных конференциях «XII, XIII, XIV Королёвские чтения», (г. Самара, 2013, 2015 и 2017 гг.); 4th International Science and Technical Conference Metal Physics, Mechanics of Material and deformation processes, «METALDEFORM 2015», (г. Самара, 2015 г.); международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» (г. Самара, 2016 г.); 1-ом международном конгрессе, посвященном 75-летию деятельности СГАУ-Самарского университета «Металлоде-форм-2017», (г. Самара, 2017 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 статей в изданиях, индексируемых в базе SCOPUS.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 6 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 229 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 88 рисунков. Список литературы включает 220 наименований.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность за ценные советы и помощь в выполнении работы научному руководителю, д-ру техн. наук, проф. Д.Л. Скуратову, а также сотрудникам кафедры технологий производства двигателей Самарского университета и лаборатории технологических проблем предприятия АО «Авиаагрегат».

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В современном производстве как отечественных, так и зарубежных газотурбинных двигателей, а также агрегатов авиационной техники к качеству изготовления деталей, испытывающих знакопеременные нагрузки и во многом определяющих эксплуатационные показатели изделий, предъявляются высокие требования [6, 24, 44, 138, 139].

Улучшение параметров, характеризующих качество обработки, а также снижение себестоимости и трудоёмкости изготовления деталей и изделий является важнейшей задачей любого производства и особенно предприятий аэрокосмической отрасли [28-30, 46, 47, 59, 62, 73, 86, 88, 90, 102-104, 117, 119, 140-144, 148-151, 156, 161]. Решение данной задачи в значительной мере может быть обеспечено за счёт выбора рациональных условий механической обработки заготовок, в том числе и упрочняющих методов обработки, влияющих на геометрические и физико-механические параметры поверхностного слоя. Используя упрочняющие методы обработки, можно обеспечить требуемые шероховатость поверхности, степень пластической деформации и остаточные напряжения, влияющие на износостойкость, сопротивление усталости и долговечность деталей.

Из отделочно-упрочняющих методов обработки весьма хорошо себя зарекомендовали такие методы, как алмазное выглаживание, обкатывание и раскатывание поверхностей инструментами, оснащёнными шариками и роликами, дорно-вание, гидро- и пневмодробеструйная обработка и др. [98, 105, 118, 130, 136, 169]. Среди данных методов обработки достаточно широкое распространение получил метод алмазного выглаживания [1, 156], что обусловлено его простотой, невысокой себестоимостью процесса и возможностью обеспечения требуемых характеристик поверхностного слоя деталей. Следует отметить, что наивысшая продуктивность данного процесса может быть достигнута при использовании оптимальных марки инструмента, способа и режима деформирования, смазывающе-охлаждающего технологического средства (СОТС) и т.д.

1.1 Характеристика и общий анализ процессов выглаживания

поверхностей деталей

К наиболее распространённым методам поверхностного пластического деформирования (ППД) относятся: алмазное выглаживание, обкатывание [28, 66, 98, 108, 109, 211], упрочнение механическими щётками, поверхностное дорнование, ультразвуковое упрочнение [59, 67, 84, 85, 109], гидро- и пневмодробеструйная обработка, гидро- и виброгалтовка [135, 136] и т.д. Технологические процессы упрочнения дробью в отличие от процессов выглаживания требуют специального оборудования, но при этом не уменьшают шероховатость поверхности.

Выглаживание является одним из наиболее простых, доступных и эффективных методов (ППД), получившим широкое распространение в авиадвигателе-строении, автомобилестроении, судостроении, общем машиностроении и других отраслях промышленности. Технологический процесс упрочнения поверхности детали путём деформирования её движущимся выглаживающим инструментом отличается от других методов поверхностного пластического деформирования тем, что при данном методе обработки достигается достаточно высокая стабильность показателей качества выглаженной поверхности, к которым относятся геометрические параметры и параметры, характеризующие состояние поверхностного слоя. Геометрические параметры включают точность размеров, отклонения формы, волнистость и шероховатость поверхности, к параметрам, характеризующим состояние поверхностного слоя, относятся остаточные напряжения, характер и глубина их залегания, величина и степень деформационного упрочнения, а также структурное и фазовое состояние.

В качестве инструментов при выполнении процессов выглаживания используются как алмазные выглаживатели, так и инструменты, оснащённые шариками или роликами [15]. В последнее время в качестве инструментов для выглаживания применяются также неперетачиваемые пластины из твёрдого сплава [71].

Процесс алмазного выглаживания был внедрён в производство в 1962 г. американской многоотраслевой корпорацией «Дженерал электрик». Этот процесс

и по настоящее время считается достаточно новым и эффективным методом отде-лочно-упрочняющей обработки, применяемым для выглаживания как наружных, так и внутренних поверхностей вращения с цилиндрическим, коническим или фасонным профилем, а также для обработки торцовых и плоских поверхностей. Алмаз имеет невысокую теплостойкость, равную 700...800°С, сравнительно низкий коэффициент трения (0,05), обусловленный высокой чистотой его поверхности, а также обладает анизотропией свойств (в одном направлении его кристаллы имеют твёрдую структуру, в другом направлении более мягкую) [66].

Сущность процесса алмазного выглаживания заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности заготовки в результате воздействия на неё сферического (цилиндрического) инструмента, закреплённого в специальной державке и перемещающегося относительно заготовки. В процессе выглаживания микронеровности, оставшиеся от предшествующего вида обработки, частично или полностью сглаживаются. Кроме того, происходит упрочнение поверхностного слоя и формирование в нём сжимающих окружных и осевых остаточных напряжений, а это, в свою очередь, приводит к увеличению износостойкости, предела выносливости и росту сопротивления усталости деталей и, как следствие, к повышению надёжности и долговечности деталей машин [1, 17-20, 27, 28, 30, 31, 59, 62, 66, 74, 75, 80, 82, 90, 91, 96, 98, 101, 103, 125, 141, 142, 150, 156].

Процесс обработки выглаживанием может быть использован для деформирования практически любых металлов и сплавов, применяемых в современном производстве, за исключением ниобия, титана, тантала и циркония [1, 79, 82, 98, 107, 141, 144-146, 148-153]. Сложность обработки данных материалов обусловлена тем, что при выглаживании обрабатываемый материал налипает на рабочую поверхность инструмента. Указанное явление характерно в первую очередь для материалов с низкой теплопроводностью и высокой адгезионной способностью, склонных к холодному свариванию с инструментом [149]. При этом качество поверхности улучшается незначительно, а в ряде случаев может даже несколько ухудшиться [148]. Для осуществления процесса выглаживания заготовок из титановых сплавов на обрабатываемую поверхность в большинстве случаев наносят

специальное покрытие, через которое впоследствии осуществляется процесс алмазного выглаживания. Однако, как отмечено в работах [79, 146, 151], снятие подобной подложки является весьма проблематичным мероприятием, т.к. в этом случае необходимо нагреть поверхность с покрытием до температуры его плавления, что в свою очередь может привести к изменению структуры упрочнённого слоя материала. Процесс алмазного выглаживания труднообрабатываемых материалов можно также осуществлять через окисные пленки [107]. Альтернативным способом обработки материалов данного класса в настоящее время является применение металлосодержащих смазок с дополнительным воздействием на выглаживаемую поверхность ультразвуковых колебаний [79, 141, 144-146, 148-153].

Для повышения эксплуатационных характеристик алмазному выглаживанию подвергаются также детали с различными металлическими покрытиями [35], например, детали взлётно-посадочных устройств (шасси) самолётов. Применение при обработке в качестве СОТС глицеринового электролита позволяет повысить стойкость выглаживающего инструмента, а также качество обработанной поверхности [49].

Одинцов Л.Г. в своих работах [105, 106] отмечает, что процесс выглаживания характеризуется высокой производительностью и стойкостью инструмента. Это заключение согласуется с данными работы [98], в которой указывается, что вследствие высокой износостойкости алмаза обработка большинства материалов может осуществляться при скоростях, равных 5 м/с. В тоже время Лихобабина Н.В. и Королев А.А. [82] отмечают, что процесс выглаживания является низко производительным методом обработки, так как осуществляется при малых скоростях и небольших подачах. С увеличением скорости обработки температура в зоне контакта алмазного наконечника с обрабатываемой поверхностью увеличивается, что приводит к росту износа выглаживающего инструмента. По-видимому, такая разница во взглядах обусловлена тем, что в ранее упомянутых работах исследовались материалы, относящиеся к различным группам и, следовательно, обладающие различными величинами твёрдости и тепло- и температуропроводности.

В процессе выглаживания в зависимости от условий отделочно-упрочняющей обработки (способа выглаживания, режима, геометрии алмазного инструмента, физико-механических свойств обрабатываемого материала и т.д.) точность формы поверхности остаётся исходной или незначительно повышается, а изменение размеров происходит в пределах высоты микронеровностей. Степень упрочнения поверхностного слоя деталей, по данным работы [135], составляет в большинстве случаев 10.30 % при глубине деформированного слоя 0,01.0,3 мм, а величина сжимающих остаточных напряжений равна примерно 500.700 МПа. По данным же работы [98], после алмазного выглаживания глубина упрочнения поверхностного слоя изменяется в диапазоне от 0,05 до 0,15 мм. Наименьшая шероховатость поверхности достигается при подачах 0,02.0,04 мм/об. При этом структура поверхностного слоя материала заготовки становится более однородной, а шероховатость поверхности может быть снижена с Ка = 1,5. 0,6 мкм до Ка = 0,4...0,3 мкм. Профиль микрорельефа поверхности после операций алмазного выглаживания становится более скруглённым с радиусом 0,3.1,5 мм и шагом выступов и впадин 0,04.0,1 мм, что обеспечивает низкую концентрацию напряжений во впадинах и высокую контактную жёсткость.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Швецов Алексей Николаевич, 2022 год

- —"

к . —

/у ** **

/ / Г/ , ( /

* г

/

** 1

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Да,мкм

б

1, 3 - результаты натурных экспериментов; 2, 4 - результаты численных экспериментов; 3, 4 - Ру = 50 Н; 1, 2 - Ру = 200 Н

Ясф = 2,5 мм, = 0,08 мм/об, и = 86 м/мин

Рисунок 3.11 - Эпюры распределения окружных (а) и осевых (б) остаточных напряжений в образцах из стали ЭП517-Ш

О -100 ■200 ■300 ■400 ■500 ■600 ■700

1 \ Jv

1" \ 11 X* х- X X %

п 1 \ ** ** * ** у

1 1\ \ \ N \ V * у * 1 X У X" X

\ \ \ --* X X <• \

ч ч V ** ** х-

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Ля,мкм

а

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

б

1, 3 - результаты натурных экспериментов; 2, 4 - результаты численных экспериментов; 3, 4 - Py = 50 Н; 1, 2 - Py = 250 Н

Ясф = 2,5 мм, S0 = 0,091 мм/об, и = 126,7 м/мин

Рисунок 3.12 - Эпюры распределения окружных (а) и осевых (б) остаточных напряжений в образцах из стали 30ХГСН2А-ВД

пластической деформации

Для деталей, работающих в условиях трения или испытывающих циклическое нагружение, глубина деформационного упрочнения во многом определяет эксплуатационные свойства деталей [4]. В связи с этим была разработана методика аналитического определения глубины залегания пластической деформации (наклёпа) в поверхностном слое заготовки, подвергнутой упрочнению алмазной сферой.

Глубина и степень наклёпа при алмазном выглаживании зависят от режимов обработки: усилия прижима инструмента к заготовке Ру, скорости выглаживания

и, радиуса алмазной сферы Ясф, а также от физико-механических свойств обрабатываемого материала: модуля упругости Е, коэффициента Пуассона V и предела текучести аТ.

Радиус алмазной сферы существенно меньше радиуса кривизны упрочняемой поверхности, поэтому в качестве первого допущения можно принять, что алмазный инструмент движется вдоль плоскости (поверхности детали). Известно, что в процессе алмазного выглаживания перед фронтальной поверхностью наконечника индентора возникает волна пластического течения металла, а сам инден-тор воздействует на обрабатываемую поверхность многократно. Однако для упрощения модели в качестве второго допущения было принято, что волна пластического течения металла на обрабатываемой поверхности отсутствует, а в качестве третьего допущения - однократность, а не многократность приложения нагрузки.

При движении алмазного инструмента, внедряемого в металл под действием нормальной силы Ру, на поверхности контакта возникают две противоположно

направленные силы трения ¥ТР и имеет место участок с адгезионными связями,

возникающими между инструментом и обрабатываемой поверхностью [4] (рисунок 3.13).

В этом случае граничные условия можно представить в следующем виде:

[А1 А5 А4 ]: ту = 0, т = 0 - участок свободен от внешних нагрузок;

[А1 А2 ]: Уу (х) = у,ту - /1 •ту = 0 - участок с трением;

[А2 А3 ]: их (х) = 0, уу (х) = у - участок с адгезионными связями;

[А3 А4 ]: Уу (х) = у, тху + ;[2 •<ту = 0 - участок с трением,

где уу (х), их (х) - смещения по осям у и х соответственно; тху и ту - касательные

и нормальные напряжения; у - функция описывающая поверхность алмазной сферы; - коэффициент трения.

Рисунок 3.13 - Схема деформирования поверхности алмазной сферой

Далее, согласно работе [1], будем считать, что коэффициент трения на участке контакта [А1 А2] и [А3 А4] имеет одну и ту же величину /1 = /2 = /.

Учитывая то обстоятельство, что длина отрезка [А 1 А4] значительно меньше радиуса алмазной сферы (рисунок 3.14), контур алмазной сферы, находящейся в

контакте с полуплоскостью , может быть аппроксимирован фрагментом па-

х 2

раболы, т.е. ф(х0) = ——. Здесь Ясф - радиус алмазной сферы, Ы{е0}- нижняя

2 Кф

полуплоскость.

Для математической формализации поставленной задачи примем схему

нагружения, приведенную на рисунок 3.14. На этой схеме граница области N (z0)

является прямая А1 А5 А4 с исключенной лункой А1 А4.

Поиск решения рассматриваемой граничной задачи осуществлялся методами теории функций комплексного переменного. Для получения аналитического

решения конформно отобразим нижнюю полуплоскость без луночки N (20) на полуплоскость N(2) посредством функции (3.7), приведенной в работах [195, 200, 205, 209, 220]:

2 = 20 +

а • е

20а

8^

I + 20 • е

- 20а

1 20а 1 - 2п • е 0

(3.7)

Рисунок 3.14 - Математически формализованная схема деформирования поверхности алмазной сферой

В результате указанного преобразования схема нагружения зоны контакта алмазной сферы и поверхности полуплоскости стала иметь вид, показанный на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 - Схема нагружения зоны контакта преобразованной алмазной сферы и поверхности полуплоскости

3

Тогда граничные условия (3.6) преобразуются в граничные условия вида:

[а1а5а4 ]: ау = 0, тху = 0 - участок свободен от внешних нагрузок;

у ' ху

[а1а 2 ]

их = 0, уу = Ф - участок с адгезионными связями; уу = Ф, тху + Л •а = 0 - участок с трением,

[а2а3 ]

уу = Ф, тху - f ау = 0 - участок с трением; (3 8)

[а3а4 ] :

где Ф - отрезок, соответствующий контуру контакта индентора с обрабатываемой поверхностью, полученный в результате комформного преобразования исходного контура у (3.6).

С учётом выполненных преобразований была рассмотрена плоская задача по определению глубины пластической деформации для упругой полуплоскости, по которой движется преобразованная алмазная сфера, вдавленная в полуплоскость с заданной силой. В научной и научно технической литературе подобные тела, вдавленные в полуплоскость (рисунок 3.15), называют штампами.

Для решения поставленной задачи использовались две функции комплексного переменного, предложенные Л.А. Галиным, определённые в нижней полуплоскости [36, 37, 190]:

с1£

щ(2) = и + IV = НС,)у=0 --

с1£

1/1 (2 )=и1+V = \(ау)

Щ (2 ) = и2 + V =\(тху )у=0 ^

После конформного преобразования контур алмазной сферы, представленный в виде фрагмента параболы ф( х0), преобразуется в контур Ф( х).

Использование функций щ (2) и щ(2), (щ] = и} + ¡у;, где ] = 1,2, [36, 37,

190, 205]) позволило сформулировать граничные условия рассматриваемой контактной задачи в виде: на а а5 а4]:

у1 = 1т щ = 0, у2 = 1т щ2 = 0; (3.9)

на [а1 а^]:

V - №1 = 1т(щ2 - Л'Щ1 ) = 0

Т (■ о \ ^ -ЫН , _ (3.10)

и + ВУ2 = 1т(шл + вщ2) =-Фх2 = 0;

1 2 4 1 2 CN - ВЫ х

u2 + /гу1 = 1т(^2 + /2 ) = 0

Т (■ о \ ОЫ -МН ^ ' л (3Л1)

1 + ВУ2 = Ътут. + Влу2 ) =-Ф х2 = 0.

1 2 4 1 2 сы - вы х

Разные знаки первых уравнений (3.10) и (3.11) обусловлены различным направлением сил трения на отрезках [а; а2] и [а3 а4]. Коэффициенты С, Ы, О, Ы, Н, О - зависят от скорости движения алмазной сферы (штампа) и упругих характеристик деформируемой полуплоскости. Конкретный вид этих констант приведен в работах [36, 37, 190].

Граничное условие на отрезке [а2 а3], соответствующее участку с адгезионными связями, имеет вид:

и2 - Р'у1 = 1т(ш2 - ) = 0,

и1 + ру2 = 1т(т^ + р\м2) =-Ф'х2' = 0.

ОЫ - ЫН_Т, , п (312)

СЫ - вы

В выражениях (3.12) в ф в. Это вызвано тем, что движение алмазной сферы (штампа) обуславливает некоторую «анизотропию» картины деформации. Конкретный вид коэффициента в, используемого в граничных условиях (3.10), (3.11) и (3.12), приведен в [36, 37, 190, 205]. Определим коэффициент в, характеризующий смещение и по оси х.

Для движущегося штампа, как следует из работ [37, 190]:

и = ¡\а<(21)-А<21)+ Ву(22)-Ву(2 2)].

Тогда — = ¡[А<(21) - А<(22) + В у'(22) - Ву'(22)]

dx

или — = 21т[А <2) - В у'(22)].

dx

Воспользовавшись выражениями для <р'(21) и у'(22), представленными в [37, 190], преобразуем последнее уравнение, после чего оно будет иметь вид

du

— = 21т

dx

АЫ + ВЫ +А°у )у=0 ^ _ ВО + АН +АТху )у=0 ^' ОЫ - ЫН -'оо 21 ОЫ - ЫН -[0 2 2

du йх

21т

AN + ВЫ GN - ЫН

v

BG + АН

1 +х(ау 1=0^ I ( )

¡-^хг-(ау I

-х Т?

2п

GN - ЫН

2п

¡

2^ у 'у=0 Тху )у=0 1

ху /у=0

х

+

(тху )

2 ху у =0

или

йи йх

21т

AN + ВЫ ( ОЫ-МН Су/у=°

X

ВО + АН '+х GN - ЫН

¡(тху 1=0 '

-Х х

Откуда, используя функции комплексного потенциала щ (2) и щ2 (2), получим [36, 37]:

йи AN + ВЫ BG + АН

— =-и2--V, .

йх GN - ЫН 2 GN - ЫН 1

Поскольку на отрезке [а2 а3] и = 0 последнее выражение может быть записано в виде

BG + АН

и2 -

AN + ВЫ

Vl = 0.

BG + AH

т.е. в =--, где аналитический вид коэффициентов G, Н, N, Ы, A, В при-

AN + ВЫ

веден в работах [36, 37, 190].

Таким образом, граничные условия рассматриваемой контактной задачи примут вид:

[а1а5а4 ]: 1тщ1 = 0, 1т щ2 = 0;

[а1а2 ]: 1т(щ2 - ) = 0, 1т(/щ1 + /Щ2) = Ф;

[а2а3 ]: 1т(щ2 - Р'щ1) = 0, 1т(/щ1 + /Щ2) = Ф; [а3а4 ]: 1т(щ2 + Щ) = 0, 1т(/щ1 + /Щ2) = Ф.

, GN - ЫН , В данных граничных условиях Ф =-Фх2 .

CN - ВЫ х

(3.13)

Обозначим также через £(г)= ж (г). В этом случае граничные условия (3.13) примут вид:

[а1а5а4 ]: 1т £ (г) = 0;

[а1а2 ]: 1т

' + в

[а2 а3 ]: 1т

I + в/ I + в/ в (г )

£ (г )-в.

Ч +

[а3а4 ]: 1т

£ (г) =0

У Л = 0;

У

£ (г) У =0

(3.14)

I-в/ I-в/

Пусть функция £(г) отображает некоторую область £ на нижнюю полуплоскость. Тогда для каждой линии, являющейся частью контура области £, будем иметь условие вида

га + Ь ■ £ (г )Л

1т

с +

с1 ■ £ (г)

0.

Это означает, что каждая из таких линий посредством дробно-линейного преобразования переходит в действительную ось, т.е. прямую. Следовательно, эти линии будут дугами окружностей [37]. По этой причине условиям на отрезке [а1а5а4] (3.14) соответствуют условия на прямой ОН, совпадающей с осью х (рисунок 3.16), а условиям на отрезках [а1а2] и [а3а4] соответственно соответствуют условия на прямых КЬ и МЫ. На отрезке [а2а3 ] условия соответствуют условиям на окружности К Установим соответствие между заштрихованной областью £ и нижней полуплоскостью.

Тогда точка а'5, соответствующая точке а5, принадлежащей границе нижней полуплоскости (рисунок 3.16), находится на прямой ОН. Однако, так как Т

£ (

р

согласно определению функций (г) и ж, (г), то отсюда

Т

а

5 ^ £(да) = —, т.е. сдвигающая сила Т не может быть больше /Р.

Рисунок 3.16 - Вид области 5

Точка а' совпадает с точкой пересечения прямых КЬ и GH, а точка а4 с точкой пересечения прямых ЫМ и GH, т.к. щ1 (2) и щ2 (2) представляют собой интегралы типа Коши, плотности которых на отрезках [а1а2 ] и [а3а4 ] пропорциональны вследствие условий ?(х)-/Р(х)= 0 и ?(х) + /Р(х) = 0 (рисунок 3.16). Поэтому они будут иметь особенности одного порядка В1 (2 - а1 )-0 и В2 (2 - а4 )-0 в окрестностях точек а1 и а4 (рисунок 3.16). Это означает, что 5 (2) в окрестностях точек а1 и а4 ограничена.

Воспользуемся теперь одним из условий (3.13) общим для отрезков [а1а2 ],

[а2аз ] [аза4 ]

и1 + = Гт(гщ + /Щ2) = 0,

но 5 (х) = С (х), поэтому имеем на отрезке [а1а4 ] со1 (х)

В этом случае для определения щ1 (х) будем иметь частный случай задачи Римана-Гильберта. Тогда решение однородной задачи примет вид:

(3.15)

а общее решение получим в виде:

(3.16)

где е - половина длины отрезка [а1а4 ].

Функциями щ1 (2) и щ2 (2) можно воспользоваться для определения напря-

и щ.

женного состояния под алмазной сферой (штампом) только после определения функции 5 (2).

Применим приближенное конформное отображение области 5 . Для этого через точки а'а2 и а3а4 построим окружности Е1 и(рисунок 3.17).

Пусть заштрихованная область 5' аппроксимирует область 5. В этом случае область 5' можно отобразить на многоугольник, ограниченный двумя концентрическими окружностями и двумя радиусами, который затем отображают на прямоугольник, отображаемый в свою очередь на нижнюю полуплоскость [36, 190, 195]. Таким образом, для конкретных условий внедрения движущейся алмазной сферы в упругую полуплоскость определяется аналитическая функция, преобразующая область 5' на полуплоскость. Имея конкретный вид функции 5'(2), определяем функции щ1 (2) и щ2 (2) (3.15)-(3.16), которые позволяют определить упругие деформации и напряжения под движущейся алмазной сферой (штампом).

Совершив обратное преобразование (3.7) получим возможность определить упругие деформации для полуплоскости без луночки (рисунок 3.14).

Рисунок 3.17 - Аппроксимация границ области £ дугами окружностей

Для оценки глубины проникновения пластических деформаций необходимо рассчитать ау - напряжения вдоль оси у. Напряжения упругой полуплоскости

определяются

^х = Лв + 2цбх ;

^у = Лв + 2 ¡8у;

Тху = 2МГху .

где в = 8х + 8у - относительное объёмное расширение, Л и ¡и - коэфициенты Ляме [36].

Глубина пластически деформированного слоя определялась из условия

^у = ^0,2

(3.17)

где сг0 2 - условный предел текучести материала.

Апробация разработанной имитационной модели, была выполнена при расчёте глубины пластически деформированного поверхностного слоя образцов из стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517-Ш) на операциях алмазного выглаживания. Исходными данными при выполнении расчёта являлись: условный предел текучести а02 = 1079 МПа; коэффициент Пуассона у = 0,3; модуль упругости

Е = 1,96 -105 МПа; плотность стали р = 7,77 • 103 кг/м3-; коэффициент трения алмаза по стали Л = 0,05 [4].

Очевидно, выделив область с условием (3.12), получим границу области пластических деформаций. Её наибольшее проникновение в область упругих деформаций принималось за глубину пластической деформации (деформационного упрочнения).

Отметим, что глубина деформационного упрочнения в этом случае была найдена с учётом скорости движения штампа (алмазной сферы) и упругопласти-ческих характеристик обрабатываемой полуплоскости.

При экспериментальном определении глубины пластически деформированного слоя использовались образцы, поверхность которых была выглажена алмазной сферой при следующих условиях обработки: радиус алмазной сферы Яс± с [1,5; 2,0; 2,5] мм,

усилие прижима алмазной сферы к упрочняемой поверхности Ру с [50; 100; 150; 200]

Н, скорость выглаживания и = 96 м/мин, подача 50 = 0,08 мм/об. Алмазный выгла-

живатель был выполнен из синтетического алмаза алмаз АСБ-1.

Решение рассмотренной задачи было реализовано в программной среде SciLab. Поскольку при постановке задачи были сделаны допущения, заключающиеся в том, что не учитывалось наличие волны пластического течение металла перед фронтальной поверхностью алмазного выглаживателя и предполагалось лишь однократное воздействие индентора (нагрузки) на обрабатываемую поверхность, а не многократное, как в реальном процессе, то результаты численного эксперимента в среднем на 25% были меньше по сравнению с результатами натурного эксперимента. На погрешность результатов расчёта оказала также влияние двухмерная постановка задачи. А это означает, что по упругой полуплоско-

сти движется не часть сферы, а часть бесконечного цилиндра с радиусом, совпадающим с радиусом алмазной сферы. Поэтому для обеспечения сходимости численного и натурного экспериментов был введён поправочный коэффициент равный 1,25.

На рисунке 3.18 и 3.19 приведены поверхности, характеризующие влияние усилия выглаживания и радиуса сферы инструмента на глубину пластически деформированного поверхностного слоя после процесса алмазного выглаживания, построенные соответственно по результатам натурного и численного (с учётом поправочного коэффициента) экспериментов.

Как видно из рисунков 3.18 и 3.19, глубина пластически деформированного слоя, полученная на основе данных натурного и численного экспериментов при различных величинах усилия выглаживания и радиуса сферы инструмента, отличается не более чем на 5...10 %. При этом следует отметить, что наибольшее отклонение глубины упрочнённого слоя, наблюдается при максимальном силе выглаживания и минимальном радиусе сферы инструмента. Имитационная модель была использована также при расчёте глубины пластически деформированного слоя образцов из стали 1Х18Н9Т в условиях процесса алмазного выглаживания [184, 185].

Помимо финишной обработки, к которой относится также процесс алмазного выглаживания, на эксплуатационные свойства высоконагруженных деталей оказывает влияние технологическая наследственность предшествующих методов обработки.

Следует отметить, что глубина деформационного упрочнения поверхностного слоя кН является одним из параметров, регламентируемых ГОСТ 18296-72 (Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения). Поэтому возможность расчётным путём, даже с использованием поправочного коэффициента, определять глубину деформационного упрочнения поверхности с погрешностью, не превышающей 5.10 %, при проектировании технологических процессов алмазного выглаживания представляет значительный практический интерес.

Рисунок 3.18 - Результаты определения глубины деформационного упрочнения образцов при алмазном выглаживании стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш, полученные на основе натурного эксперимента

50 1.5 Ясф, мм

Рисунок 3.19 - Результаты определения глубины деформационного упрочнения образцов при алмазном выглаживании стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш, полученные на основе численного эксперимента по имитационной модели

1 Адаптирована к процессу алмазного выглаживания существующая аналитическая зависимость для определения максимальной температуры в зоне контакта двух твёрдых инертных материалов путём использования в ней новой расчётной формулы для определения номинальной площади контакта индентора с заготовкой, учитывающей образование волны пластического течения металла, имеющей неодинаковую высоту перед фронтальной поверхностью индентора. Погрешность расчётных значений температуры по сравнению с данными натурных экспериментов других авторов составила 13. 20%.

2 Разработана объемная конечно-элементная модель процесса алмазного выглаживания для определения величины, характера и глубины залегания остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемых заготовок. Отличие разработанной конечно-элементной модели от существующих моделей заключается в том, что в ней помимо влияния на процесс выглаживания силы прижима индентора к обрабатываемой заготовке, радиуса сферы инструмента и скорости выглаживания впервые учтено также наличие продольной подачи выглаживающего инструмента. Сопоставление численного и натурного экспериментов показало, что погрешность не превышает 20%.

3 Создана имитационная двухмерная модель аналитического определения глубины залегания пластической деформации в поверхностном слое заготовки, подвергнутой алмазному выглаживанию, с погрешностью 5. 10%, в которой принятые допущения об отсутствии волны пластического течения металла перед фронтальной поверхностью выглаживателя и однократность воздействия нагрузки компенсируются введением поправочного коэффициента.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ПОСЛЕ ОПЕРАЦИЙ АЛМАЗНОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ

Для получения эмпирических зависимостей, связывающих параметры процесса алмазного выглаживания с параметрами качества обработки и предназначенных для использования в математической модели для определения рациональных условий деформирования поверхностей на операциях алмазного выглаживания, был проведён комплекс экспериментальных исследований. В процессе проведения исследований оценивалось влияние усилия прижима индентора к заготовке, скорости выглаживания, подачи, радиуса сферы алмаза и т.д. на шероховатость поверхности образцов, величину и глубину залегания максимума остаточных напряжений, а также на изменение микротвёрдости по глубине поверхностного слоя.

4.1 Техническое и методическое обеспечение проведения

экспериментальных исследований

4.1.1 Обрабатываемый материал

В качестве материалов для исследования влияния параметров процесса алмазного выглаживания на параметры, определяющие качество обработки, были использованы стали марок 15Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517-Ш), 30ХГСН2А-ВД и 12Х18Н9Т, относящиеся к различным группам материалов по степени обрабатываемости и достаточно широко используемые для изготовления деталей ГТД и авиаагрегатов.

Жаропрочная деформируемая сталь ЭП517-Ш позволяет обеспечить высо-конагруженным деталям ГТД, работающим при температурах до 650 °С, хорошие прочностные характеристики. Эта сталь нашла самое широкое применение в

авиадвигателестроении для изготовления валов турбин низкого (НД) и среднего (СД) давлений [15, 139], работающих при температурах до 300...450 °С, например, в авиационных ГТД семейства «НК». Технологические процессы изготовления валов турбин НД и СД газотурбинных двигателей, указанного семейства, предусматривают процессы алмазного выглаживания после операций шлифования наружных и внутренних поверхностей.

Химический состав, механические и физические свойства стали ЭП517-Ш, представлены в таблицах 4.1 и 4.2 [10].

Таблица 4.1 - Химический состав исследуемых материалов в процентах

Материал Химические элементы

Fe С Si Мп Сг № Си V Мо № Б Р N2

ЭП517-Ш основа ■ 0,13-0,18 < 0,06 < 0,06 11,5-13,0 ,0 с/ -,5 ■ 0,18-0,30 0,65-1,0 0,65-1,0 0,20-0,35 < 0,03 < 0,03 0,02-0,08

30ХГСН2А -ВД основа ■ 0,27-0,34 ,2 -,9 0, ,3 ,2 -,9 0, ,8 -,4 < 0,3 - ■ ■ ■ < 0,025 < 0,025 ■

12Х18Н9Т основа 0,6-0,8 < 0,12 < 0,8 < 2,0 о с К ^ 8,0-10,0 ,3 о" < - ■ ■ ■ < 0,02 < 0,035 ■

Таблица 4.2 - Механические и физические свойства исследуемых материалов

Свойства Материал

ЭП517-Ш 30ХГСН2А-ВД 12Х18Н9Т

Е, МПа 1,96-105 1,95105 1,88105

ав, МПа 1226 1570-1815 540

<г0 2, МПа 1079 1400 196

р, кг/м3 7,81103 7,77-103 7,92-103

35, % 14 9 45

¥, % 55 45 60

ан, кДж/м2 785 588 245

НВ (ШС), МПа 3145-3804 47-52 (ЖС) 1374

Конструкционная высокопрочная легированная сталь 30ХГСН2А-ВД обла-

дает большим запасом прочности, стойкости к деформации, долговечностью, устойчива к воздействию высоких температур и применяется для изготовления деталей взлётно-посадочных устройств (шасси) различных типов гражданских и военных самолётов.

Технологические процессы изготовления деталей этих устройств, в частности, таких как цилиндры и поршни шасси самолётов Ту-204СМ, Ил-476 и др., предусматривают операции алмазного выглаживания некоторых наружных и внутренних поверхностей, предварительно прошедших финишную обработку. Химический состав, механические и физические свойства стали 30ХГСН2А-ВД, также приведены в таблицах 4.1 и 4.2 [11].

Коррозионно-стойкая жаропрочная сталь аустенитного класса 12Х18Н9Т используется для изготовления деталей, работающих при температурах от - 196 до 600 °С под давлением, а при наличии агрессивных сред до 350 °С. В авиадви-гателестроении данная сталь используется для изготовления деталей топливных, масляных и воздушных магистралей, форсажных камер и наружных оболочек [44]. В таблице 4.1 представлен химический состав данной стали, а в таблице 4.2 [12] приведены её физико-механические свойства.

4.1.2 Оборудование, выглаживающие инструменты, образцы, оснастка

и средства измерения, используемые при проведении исследований

Экспериментальные исследования выполнялись на токарно-винторезных станках моделей 1А616 класса точности «П» и 1В616 класса точности «А». На данных станках осуществлялась чистовая токарная обработка образцов и процесс их алмазного выглаживания.

В качестве выглаживающих инструментов были использованы алмазные наконечники из синтетических алмазов марки АСБ-1 и натуральных алмазов по ОСТ2 И77 575, радиус сферы которых варьировался в пределах от 1 до 3 мм для синтетических и от 2 до 3 мм для натуральных алмазов. Проверка качества наконечников осуществлялась по специально разработанной инструкции, которая

нашла применении на предприятии АО «Авиаагрегат» при приемке партии алмазных выглаживателей (приложение Б).

Алмазные наконечники закреплялись в специальной оправке, предназначенной для выглаживания наружных поверхностей и обеспечивающей упругий способ нагружения инструмента (рисунок 4.1). Для обеспечения требуемого прижимного усилия была выполнена тарировка нагружающего устройства оправки при помощи динамометрической скобы. Тарировочная диаграмма данного устройства приведена на рисунке 4.2.

Исследование процесса алмазного выглаживания осуществлялось на кольцевых и полых цилиндрических образцах из сталей ЭП517-Ш и 30ХГСН2А-ВД.

Рисунок 4.1 - Оправка для наружного выглаживания Рисунок 4.2 - Тарировочная диаграмма

Наружный и внутренний диаметры колец соответственно составляли: 108.. .122 и 96 мм; 180 и 150 мм; 180 и 172 мм. При этом ширина колец равнялась 10 мм, а длина цилиндрических образцов составляла 110, 220 и 300 мм. Кроме указанных ранее образцов, для проведения исследований использовались прутки из стали 12Х18Н9Т диаметром 60 мм и длинной 250 мм, а также кольца с наружным диаметром 50 мм внутренним 42 мм и шириной 10 мм [175].

Для предварительной обточки кольцевых образцов и осуществления их алмазного выглаживания были разработаны и изготовлены специальные оправки, представленные на рисунке 4.3. С целью исключения краевого эффекта при выглаживании по торцам каждого кольцевого образца 1 располагались фальшкольца 2 (рисунок 4.3, б).

а б

Рисунок 4.3 - Оправки для выполнения предварительной обточки образцов (а) и осуществления процесса

алмазного выглаживания (б)

Для контроля шероховатости поверхности использовался автоматизированный профилограф-профилометр модели БВ-7669 производства АО «НИИизмере-ния» (рисунок 4.4). Данный профилограф-профилометр позволяет одновременно производить измерение 16 параметров шероховатости наружных и внутренних поверхностей, сечение которых в плоскости измерения представляет прямую линию, в том числе всех параметров регламентируемых ГОСТ 2789-73.

Исследование величины, характера распределения и глубины залегания

максимума сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое образцов осуществлялось при помощи автоматизированной установки для определения остаточных напряжений АСБ-1 (рисунок 4.5), работающей по методу Н.Н. Дави-денкова и позволяющей определять ОН в плоских и кольцевых образцах, а также в образцах сложной формы.

Рисунок 4.4 - Профилограф-профилометр модели БВ-7669

Рисунок 4.5 - Установка для определения остаточных напряжений

АСБ-1

Для исследования распределения микротвёрдости по глубине поверхностного слоя образцов использовался прибор ПМТ-3, представленный на рисунке 4.6. Косые образцы для исследования микротвёрдости подготавливались при помощи специальной оправки, изображённой на рисунке 4.7 и имеющей угол наклона боковых граней 5 градусов.

Рисунок 4.6 - Микротвердомер Рисунок 4.7 - Оправка

ПМТ-3 для получения косых шлифов

4.1.3 Общая методика проведения комплекса исследований и обработка результатов

Представленная в разделе 2 линейная математическая модель позволяет определять рациональные условия обработки для операций алмазного выглаживания наружных и внутренних поверхностей различных деталей, в том числе деталей газотурбинных двигателей и агрегатов самолётов. Однако определение указанных ранее условий обработки возможно лишь при наличии эмпирических зависимостей, связывающих параметры процесса алмазного выглаживания с параметрами, характеризующими качество обработки и входящими в технические ограничения математической модели. Причём эти зависимости должны быть для каждого из материалов, используемых при производстве деталей, технологические процессы изготовления которых включают операции алмазного выглаживания. Поэтому, исходя из ранее изложенного, был выполнен комплекс эксперимен-

тальных исследований по определению влияния параметров процесса алмазного выглаживания, а именно: силы прижима индентора к обрабатываемой заготовке Py, величины подачи So, исходной шероховатости Яаисх, радиуса алмазного

наконечника Ясф и скорости обработки и на шероховатость поверхности, остаточные напряжения и глубину залегания их максимума, а также микротвёрдость поверхности и глубину деформационного упрочнения. По результатам исследования были получены эмпирические зависимости, связывающие ранее указанные параметры процесса алмазного выглаживания с параметрами, характеризующими качество обработки, которые имеют следующий вид:

- для шероховатости поверхности

Ra = CsSyp;RanucxR^; (4.1)

- для максимальных сжимающих окружных остаточных напряжений ст и глубины их залегания а:

= Сс К" RRicv°c;1 (4-2)

a = CaS^PZ* R":$u-; (4.3)

- для максимальных сжимающих осевых остаточных напряжений с0 max

Cw = CcoS»" PXCo К;с»'с; (4.4)

- для максимальной микротвёрдости H^ поверхности и глубины деформационного упрочнения Ah:

H = Ch:SIh» PXyH» R^U^ ; (4.5)

h pxh T>mh zh

/"шах Н" '0 У Сф

аи = с^р^к^и*. (4.6)

При проведении натурных экспериментов, направленных на получение эмпирических зависимостей, связывающих параметр шероховатости Яа с параметрами процесса алмазного выглаживания £0, Ру, Яаисх, Ясф, и, был использован

1 Формулы (4.2) и (4.4) предназначены для расчёта максимальных величин соответственно сжимающих окружных

и осевых остаточных напряжений. В научной и научно-технической литературе эти напряжения записываются в

виде числовых значений (МПа) со знаком «-» перед ними.

метод однофакторного планирования эксперимента. В процессе данного эксперимента были получены вначале частные зависимости, связывающие параметр Яа с каждым в отдельности из указанных ранее параметров процесса алмазного выглаживания, а затем общая зависимость вида (4.1). Для получения частных зависимостей использовался метод наименьших квадратов, позволяющий с большей достоверностью по сравнению с графическим методом получить формулы, удовлетворяющие экспериментальным данным. Использование метода однофактор-ного планирования эксперимента было обусловлено тем, что измерение шероховатости поверхности при изменении каждого из варьируемых факторов не представляет большой сложности.

Для получения зависимостей, связывающих максимальные сжимающие окружные остаточные напряжения и глубину их залегания, максимальные сжимающие осевые остаточные напряжения, а также максимальную микротвёрдость поверхности и глубину деформационного упрочнения с параметрами процесса алмазного выглаживания (формулы (4.2)-(4.6)), были выполнены полные факторные эксперименты (ПФЭ) с матрицей планирования 24. При проведении экспериментов число опытов в каждой серии было равно N = 16, а число повторяющихся опытов М = 6.

Построение уравнений регрессии и проверка адекватности полученных моделей по критерию Фишера осуществлялись по методике, изложенной в работах [13, 32, 132]. Затем уравнения регрессии были преобразованы в степенные зависимости.

Обработка результатов прямых измерений выполнялась в соответствии с ГОСТ Р 8.736-2011.

Выглаживание образцов из сталей ЭП517 и 12Х12Н9Т осуществлялось натуральными и синтетическими алмазами, а выглаживание образцов из стали 30ХГСН2А синтетическими алмазами.

Для исключения биения поверхности образцов после установки их на оправку и обеспечения требуемой исходной шероховатости наружная поверхность образцов протачивалась в два перехода, на первом из которых устранялось биение, а на втором - подготавливалась поверхность под выглаживание. Процесс

точения выполнялся проходным отогнутым резцом с пластиной из твёрдого сплава Т15К6, имеющем следующую геометрию: ( = 45о, (р1 = 42о, у = 10о, а = 7о, Я = - 5о.

Помимо натурных экспериментов были выполнены численные эксперименты по определению сжимающих окружных и осевых остаточных напряжений в образцах на основе использования разработанной и представленной в разделе 3 конечно-элементной модели процесса алмазного выглаживания, предназначенной для оценки напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя.

4.1.4 Методика исследования шероховатости поверхности

Для исследования шероховатости поверхности были использованы цилиндрические полые образцы из стали ЭП517-Ш с наружным диаметром 122 мм, внутренним диаметром 96 мм и длиной 110 и 220 мм, вырезанные из вала турбины низкого давления газотурбинного двигателя, а также цилиндрические полые образцы из стали 30ХГСН2А-ВД с наружным диаметром 180 мм, внутренним диаметром 150 мм и длиной 300 мм, вырезанные из стойки поршня шасси самолёта. Вся поверхность образцов делилась на участки шириной 18.20 мм посредством прорезки на них канавок глубиной 0,5 .2 мм и шириной 1,5.3 мм.

Планы проведения натурных однофакторных экспериментов при выглаживании образцов из стали ЭП517-Ш синтетическими и натуральными алмазами приведены соответственно в таблицах 4.3 и 4.4, а план проведения однофакторно-го эксперимента при выглаживании образцов из стали 30ХГСН2А-ВД синтетическими алмазами - в таблице 4.5.

Шероховатость поверхности образцов оценивалась по результатам измерения среднего арифметического отклонения профиля Яа. В качестве средства измерения использовался автоматизированный профилограф-профилометр модели БВ-7669, представленный на рисунке 4.8. Высота микронеровностей поверхности по параметру Яа при обработке стали ЭП517-Ш синтетическими алмазами

Номер опыта Серия Факторы

опытов с изменением Р , Н Рсф, мм Раисх , мкм 5 , мм/об и, м/мин Результат

1 50

2 100

3 Прижимной силы 150 Ра = / (Ру )

4 200 2 1,72 0,05 76,7

5 250

6 300

7 350

8 1

9 Радиуса сферы алмаза 1,5 Ра = / (Ясф )

10 150 2 1,15 0,05 76,7

11 2,5

12 3

13 0,332

14 0,726

15 Исходной 0,872

16 150 2 0,942 0,05 76,7 Ра = / (Раисх )

17 шероховатости 1,16

18 1,27

19 1,54

20 2,57

21 0,02

22 0,03

23 Подачи 150 2 2,57 0,04 76,7 Ра = / (5 )

24 0,05

25 0,06

26 0,08

27 24,2

28 48

29 Скорости 150 2 2,15 0,05 61,4 Ра = / (и)

30 76,7

31 96

Номер опыта Серия Факторы

опытов с изменением Р, Н Кф, мм Р<2исх , мкм ^ , мм/об и, м/мин Результат

1 50

2 100

3 Прижимной силы 150 Ра = / (Ру )

4 200 2 3,34 0,05 81

5 250

6 300

7 350

8 Радиуса сферы алмаза 2 Ра = I (Ясф )

9 150 2,5 3,31 0,05 81

10 3

11 0,46

12 Исходной 0,53

13 150 2 1,09 0,05 81 Ра = I (Раисх )

14 шероховатости 2,84

15 6,65

16 8,21

17 0,02

18 0,03

19 0,04

20 0,05

21 Подачи 150 2 3,44 0,06 81 Ра = I (^ )

22 0,08

23 0,09

24 0,11

25 0,13

26 22,78

27 45,2

28 Скорости 150 2 3,12 0,05 57,86 Ра = I (и)

29 72,32

30 90,4

Номер опыта Серия Факторы

опытов с изменением ру, Н Рсф , мм Р<2исх , мкм 5 , мм/об и, м/мин Результат

1 50

2 150

3 Прижимной 200 2 0,4 0,054 127 Ра = / (Ру )

4 силы 250

5 300