На правах рукописи

Петренко Константин Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ППД НА ОСНОВЕ УЧЕТА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ

05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико -технической

обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический у ниверситет», г. Кемерово

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Блюменштейн Валерий Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тамаркин Михаил Аркадьевич кандидат технических наук, доцент Гилета Виктор Павлович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет» (МГТУ «МАМИ»), г. Москва

Защита состоится 8 декабря 2010 г. в 16 часов на заседании диссертацио нного совета Д 212.173.07 при ГОУ ВПО «Новосибирский государственный те хнический университет» по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского гос ударственного технического университета.

Автореферат разослан «3» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Никитин Ю. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей современного машиностроительного производства является обеспечение д олговечности деталей машин, которая в значительной степени определяется к ачеством поверхностного слоя (ПС). В настоящее время очевидным является факт, согласно которому проектирование упрочняющих технологических процессов необходимо проводить с учетом явления технологического наследования (ТН ). Это означает учет накопления свойств поверхностного слоя на всех операциях обработки и при последующей эксплуатации изд елия.

Анализ показал, что ТН – сложное явление, описываемое комплексом взаимосвязей между режимами, параметрами качества и эксплуатационными хара ктеристиками изделия.

Недостаточный учет физических представлений о механизме наследования не позволяет в полной мере учитывать явление ТН при проектировании упрочняющих технологических процессов с позиций получения заданной долгове чности.

В соответствии с положениями механики ТН формирование и трансформация свойств поверхностного слоя на стадиях механической обработки и эк сплуатации происходит в условиях непрерывного накопления деформации и и счерпания запаса пластичности металла поверхностного слоя. В процессах механической обработки резанием и поверхностным пластическим деформиров анием (ППД) в зоне контакта инструмента с деталью возникает область пласт ического течения – очаг деформации (ОД), характеризу ющийся определенным напряженно-деформированным состоянием (НДС). В ОД вдоль линий тока происходит накопление деформации, исчерпание запаса пластичности металла и формирование свойств поверхностного слоя.

Помимо традиционных показателей качества в механике ТН используются интегральные механические характеристики состояния металла: степень д еформации сдвига, степень исчерпания запаса пластичности, тензор остаточных напряжений T ост и др. Ключевым механизмом механики ТН являются программы нагружения (ПН) поверхностного слоя на стадиях обработки и эксплуатации. ПН – это зависимость накопленной степени деформации сдвига от показателя напряженного состояния П. ПН формируются под влиянием ранее накопленной поверхностным слоем деформации, что с позиции механики ТН отражает историю нагружения (ИН), с позиции технологии – технологическое наследование.

К настоящему времени получено описание ПН на стадиях резани я и ППД, однако требуют уточнения вопросы влияния параметров ОД, режимов и наследственности на формирование качества поверхностного слоя под воздейс твием программ нагружения.

С учетом возрастающих требований к качеству и долговечности изделий данная работа, направленная на повышение эффективности проектирования упрочняющих технологических процессов, формирующих заданные свойства поверхностного слоя, с позиций наследственных программ нагружения, являе тся актуальной.

Цель работы Повышение эффективности проек тирования упрочняющих технологических процессов ППД на основе раскрытия наследственных закономерностей формирования и трансформации программ нагружения поверхностного слоя.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следу ющие задачи:

1. Выявить базовые закономерности накопления и трансформации свойств поверхностного слоя на стадиях жизненного цикла изделия и обосновать роль программ нагружения в качестве ключевого механизм а технологического наследования.

2. Разработать структурно-аналитическую модель формирования качества поверхностного слоя под воздействием программ нагружения в зависимости от режимов обработки.

3. Разработать аналитические модели формирования и трансформации пр ограмм нагружения и качества поверхностного слоя в зависимости от режимов обработки и параметров оча гов деформации.

4. Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов и программ нагружения на формир ование и трансформацию качества поверхностного слоя в процессах резания 5. Разработать методику проектирования упрочняющих технологических процессов ППД с учетом технологического наследования, осуществить ее апробацию и внедрение в промышленность.

Научная новизна 1. Разработана структурная модель обеспечения качества поверхностного слоя в процессах резания и ППД, описывающая наследственные закон омерности накопления деформации и исчерпания запаса пластичности м еталла поверхностного слоя в очаге деформации, формирующемся под во здействием режимов обработки.

2. Разработаны аналитические модели фо рмирования и трансформации пр ограмм нагружения в процессах резания и ППД статическими методами, о тражающие физический характер явлений, происходящих в поверхнос тном слое, в зависимости от режимов обработки и параметров очагов деформ ации.

3. Установлен и научно обоснован характер формирования качества поверхн остного слоя под влиянием режимов обработки на основе наследственных закономерностей накопления деформации поверхностным слоем детали при резании и ППД обкаткой роликами, шариками, алмазным выглажив анием.

Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Разработаны и апробированы методики исследований влияния режимов обработки и параметров очагов деформации на формирование и трансформацию программ нагружения в процессах резания и ППД.

2. Разработаны технологические рекомендации по выбору режимов рез ания и ППД, обеспечивающих заданное качество поверхностного слоя, на основе реализации требуемых программ нагружения.

3. Разработаны алгоритм и программная система, автоматизирующая расче т программ нагружения, накопленной деформации и степени исчерпания запаса пластичности, параметров качества поверхностного слоя и долгове чности изделий.

Результаты научных исследований а пробированы и приняты к внедрению в виде технологических процессов, методик и компьютерной программы с суммарным ожидаемым годовым экономическим эффектом около 464 000 руб. в условиях ОАО «Юрмаш», ОАО «Кузбасская вагоностроительная камп ания».

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках научно-технической программы Минобразования РФ «Научные иссл едования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 205 – «Транспорт», раздел – 205.03 «Наземные транспортные средства» в период с 2000 по 2003 г.г., ФЦП «Научные и научно педагогические кадры Ро ссии на 2009-2013 годы», проект № 02.740.11.0033.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теор етических и экспериментальных исследований, разработке методического и а ппаратного обеспечения исследований, обобщении полученных результат ов, сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулир овании выводов.

Достоверность результатов Результаты работы получены на основе базовых положения технологии машиностроения и теории механической обработки, методов общенаучной м етодологии, в том числе структурного моделирования и синтеза, статистическ ого и компьютерного моделирования, механики д еформируемых сред, метода конечных элементов и других, что в целом обеспечило корректность постано вки и решения задач, а также адекватность полученных математических и стат истических моделей. Сформулированные научные положения, результаты раб оты, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и эксп ериментальными данными, не противоречат известным положениям технич еских и фундаментальных наук и основаны на строго доказанных выводах, предложенных авторами предыдущих исследований. Выявленные в результате экспериментально-аналитических исследований зависимости объясняют более 85% всей дисперсии экспериментальных данных, отн осительная погрешность определения не превышает 10%.

На защиту выносятся:

аналитические модели формирования качества поверхностного слоя с учетом технологического наследования;

результаты экспериментальных исследований формирования качества поверхностного слоя под возд ействием программ нагружения;

методика проектирования упрочняющих технологических процессов ППД с учетом технологического наследования Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её результаты докладывались и обсуждались на:

всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, те хнология и экология на рубеже веков», Томск, 2000 г.;

39-й международной научно -технической конференции ААИ «Приорит еты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инж енерных и научных кадров», Москва, 2002 г.

2-й областной научной конференции «Молодые ученые Кузбассу», Кем ерово, 2003 г.;

всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные те хнологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2003 г;

всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения», Новосибирск, 2009 г;

международной научно-практической конференции «Инженерия повер хностного слоя деталей машин», Кемерово, 2009 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах автора, из которых 3 работы опубликовано в журналах, входящих в п еречень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 2 – в научных журналах, 6 – в сборниках трудов международных и Всероссийских научно -технических конференций, 1 программа для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 101 наименования и приложения. Работа содержит 235 страниц основного текста, в том числе 112 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, кратко определен объект исследований, изложены суть поставленной нау чной задачи, цель и задачи исследования, приведены основные результаты работы.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных формированию свойств поверхностного слоя в процессах упрочняющей механической обр аботки ППД и проектированию технологических процессов, обеспечивающих требуемое качество и эксплуатационные характеристики.

Различные подходы к проектированию, учету и анализу явления технологического наследования нашли отражения в работах В.И. Аверченкова, П.Г.

Алексеева, А.П. Бабичева, Б.М. Базрова, В.Ф. Безъязычного, В.Ю. Блюме нштейна, А.С. Васильева, Н.Н. Давиденкова, А.М. Дал ьского, М.Л. Елизаветина, А.И. Исаева, А.В. Киричека, В.М. Кована, А.И. Кондакова, И.В. Кудрявцева, А.А. Маталина, А.Н. Овсеенко, А.В. Подзея, Э.В. Рыжова, В.М. Смелянско го, А.П. Соколовского, А.М. Сулимы, А.Г. Суслова, А.В. Тотая, Д.Л. Юдина, П.И.

Ящерицына и других.

Однако в данных работах недостаточно полно описаны физический характер явления технологического наследования как процесса непрерывного нако пления и трансформации свойств поверхностного слоя на стадиях обработки и эксплуатации.

Анализ показал, что описание слож ных явлений, происходящих в повер хностном слое при обработке и эксплуатации, возможно на основе научных положений механики технологического наследования, разработанных В.Ю. Бл юменштейном. В основе механики ТН лежит представление о том, что формир ование состояния поверхностного слоя происходит в результате накопления им деформации и исчерпания запаса пластичности на всех стадиях жизненного цикла изделия.

Установлено геометрическое и механическое подобие в формировании программ нагружения на стадиях резания и ППД, заключающееся в том, что ПН имеет три участка квазимонотонной деформации. Н а первом участке накопление деформации происходит в условиях уменьшени я показателя напряженного состояния, на втором участке деформация накапливается при увеличении показателя и смещении его в положительную область, на третьем участке нак апливается весьма незначительная деформация.

Технологическое наследование проявляется в трансформации программ нагружения, которая выражается в уменьшении накопления деформации и ди апазона изменения показателя напряженного состояния на каждой последующей стадии.

Анализ показал, что описание ПН возможно на основе параметров очагов деформации, в зависимости от которых рассчитываются значения накопленной степени деформации сдвига в определенных ключевых точках.

Однако представления о программах нагружения требуют развития с поз иций влияния режимов обработки на формирование ПН на стадиях резания и ППД, количественной оценки трансформации программ нагружения, формирования параметров качества повер хностного слоя.

Во второй главе приведены результаты аналитических исследований, п олученные на основе разработанной структурно й модели обеспечения качества поверхностного слоя под воздействием ПН (рис. 1).

Под воздействием режимов на данной стадии нагружени я в ПС металла возникает наследственный очаг деформации, геометрические параметры кот орого связаны с технологическими режимами и историей нагружения зависим остями вида:

где – параметр очага деформации, возникающий при рез ании;

ПОД ППД

– параметр очага деформации, возникающий при ППД; t – глубина резания; S – подача; V – скорость резания; и – передний и задний углы соответственно; P – усилие, при котором осуществляется ППД; пр – профильный радиус инструмента; i -1 – степень деформации сд вига, накопленной на предшествующих стадиях обработки.

В очаге деформации формируется программа нагружения, представленная в виде зависимостей от параметров ОД и истории нагружения:

где j и П j – точки программы нагружения материальной частицы при ее прохождении по линии тока в очаге деформации, П – программа нагружения.

Воздействие ПН (через режимы) на поверхн остный слой приводит к нак оплению пластической деформации и исчерпанию запаса пл астичности:

Это, в свою очередь, формирует новое состояние поверхностного слоя.

В рамках разработанной аналитической модели выполнялся расчет степени деформации сдвига и показателя напряженного состояния в ключевых точках ПН через параметры ОД без учета и с учетом истории нагружения, далее ос уществлялось аналитическое описание участков ПН с определением коэффиц иентов аппроксимации.

Рис. 1. Структурная модель обеспечения качества поверхностного слоя под Расчет в ключевых точках ПН на стадии ППД осуществлялся на основе базовой модели В.М. Смелянского по суммарному углу наклона кас ательной к профилю ОД на контактной и внеконтак тной поверхностях:

где j – номер участка квазимонотонной деформации; k – коэффициент кривизны профиля очага деформации и условий на контакте деформирующего и нструмента с деталью; b j, c j и g j – коэффициенты на соответствующем участке квазимонотонной деформации, зависящие от геометрических параметров ОД ;

x B, x C' и x E – абсциссы точек перегиба соответствующего участка профиля очага деформации (рис. 2).

Обработкой экспериментальных данных получена зависимость показателя напряженного состояния П в конце первого участка квазимонотонной дефо рмации:

где w – показатель, характеризующий мощность ОД ( w dh в, d - горизонтальная проекция передней дуги контакта, hв - высота волны); a П и b П - коэффициенты Рис. 2. Профиль ОД при ППД и соответствующая программа нагружения На стадии резания с учетом подобия процессов расчет и П проводился аналогично, при этом предложены функции подобия k ij и k ij, в качестве аргументов которых выступали геометрические параметры ОД.

Установлено, что влияние технологической наследственности выражается в трансформации программ нагружения.

Показано, что на каждой последующей стадии накапливается меньшее зн ачение деформации в условиях менее значительного изменения показателя н апряженного состояния, то есть происходит «сжатие» ПН по осям координа т.

Расчет и П в ключевых точках ПН с учетом истории нагружения пр оводился на основе интегрального уравнения второго рода:

где ij и ij – соответственно степень деформации сдвига и показатель н апряженного состояния на j -ом этапе i -ой стадии нагружения с учетом истории нагружения; 0 – степень деформации сдвига в момент начала i -ой стадии нагружения; ij и ij – соответственно степень деформации сдвига и показатель напряженного состояния на j -ом этапе i -ой стадии нагружения без учета истории нагружения; K N n - ядро; R N n - резольвента ядра; – степень деформации сдвига, накопленная к концу n -го этапа нагружения; n – изменение показателя напряженного состояния на n -ом этапе нагружения; функция влияния предшествующей деформации на форм ирование НДС.

В ходе исследований установлено, что форма ПН существ енно влияет на численные значения накапливаемых свойств поверхностного слоя. Анализ п оказал, что участки ПН могут быть аппроксимированы экспоненциальными функциями:

ПН ПН ПН

a ij exp bij П cij – 1-й участок программы нагруж ения;

ПН ПН ПН

где a ij, bij и с ij – коэффициенты аппроксимации.

Исследования показали, что т ретий участок может быть описан прямой л инией.

вых точках ПН. Коэффициент с ij определялся по зависимости:

где a c ПН и bc ПН - коэффициенты.

Коэффициенты в моделях (5), (8)-(9) определялись в ходе экспериментал ьных исследований процессов резания и ППД по специально разработанной м етодике в наследственной постановке.

В третьей главе представлена методика экспериментальных исследов аний формирования и трансформации качества поверхностного слоя под воздейств ием программ нагружения на стадиях резания и ППД. Материалами для проведения исследований являлись стали 45, 12ХН3А, 30ХГСА, а также а люминиевый сплав АК6.

Экспериментальные исследования формирования программ нагружения по схеме свободного ортогонального резания осуществлялись на горизонтал ьнофрезерном станке. Подача S варьировалась от 0,025 м/мин до 0,1 м/мин, толщина срезаемого слоя a – от 0,1 мм до 1 мм, радиус округления режущей кромки – от 0,15 мм до 2 мм, передний угол – от -10 до 35. Геометрия инструмента обеспечивалась обработкой станда ртных пластин из твердого сплава ВК8 на оптико-шлифовальном станке и державк ами, изготовленными из стали 40Х.

Расчет программ нагружения осуществлялся методом делительных сеток (МДС), нанесенных на боковую поверхность образца, по геометрическим пар аметрам очагов деформации, а также с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Исследование формирования программ нагружения в зависимости от р ежимов и параметров ОД осуществлялось на основе метода визиопластичности.

Оптическая система состояла из двух линз, закреп ленных в специальных оправках и снабженных микрометрическими винтами для тонкой регул ировки и настройки, и видеокамеры для скоростной видеосъемки. Для реализации условия плоской деформации перед образцом устанавливалось прозрачное закале нное стекло. Юстировка оптической системы осуществлялась с помощью гелий неонового лазера.

Линии тока в очаге деформации определялись по искаженной делительной сетке на боковой поверхности образца. После обработки и выделения отдельных кадров вдоль линий тока рассчитывались параметры НДС, программы н агружения и степень исчерпания запаса пластичн ости.

Экспериментальные исследования формирования и трансформации пр ограмм нагружения и качества поверхностного слоя на стадии ППД осуществл ялись путем обкатывания гладких цилиндрических образцов диаметром 30- мм, длиной 300 мм из стали 45.

Многоходовое обкатывание до появления следов разрушения производилось на токарно-винторезном станке с помощью специального однороликового приспособления, имеющего возможность быстрой смены деформи рующих роликов диаметром 64 и 95 мм, изготовленных из стали ШХ15. Обкатывание на втором и последующих рабочих ходах осуществлялось по уже обработанной поверхности, имеющей, таким образом, свою историю нагружения.

Усилие обкатывания P варьировалось от 100 до 2500 Н, профильный радиус ролика Rпр – от 2,5 до 13,5 мм, подача составляла 0,07 мм/об, частота вращения шпинделя – 630 об/мин.

Далее осуществлялось профилографирование очагов деформации на профилографе-профилометре «Talysurf-5M» фирмы «Rank Taylor Hobson», проводился расчет геометрических параметров ОД, компонент НДС и программ нагружения на каждом рабочем ходе. Идентификация следов разрушения, соо тветствовавшая полному исчерпанию запаса пластичности, производил ась с помощью сканирующей электронной микр оскопии.

По полученным профилограммам определялись параметры шероховатости поверхности. Параметры упрочнения поверхностного слоя определялись мет одом косого среза, измерение микротвердости производилось с помощью м икротвердомера ПМТ-3.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследов аний формирования и трансформации программ нагружения на стадиях рез ания и ППД и качества поверхностного слоя.

Расчет накопленной степени деформации сдвига и показателя напряженного состояния в ключевых точках ПН осуществлялся на основе геометрических параметров ОД, полученных в ходе экспериментальных исследований, и моделированием методом конечных элемен тов, что позволило сопоставить резул ьтаты аналитических и эксперимен тальных исследований.

В ходе исследований была получена зависимость показателя напряженного состояния от мощности w очага деформации:

Расчет программ нагружения в ключевых точках на стадии резания производился по аналогии со стадией ППД с использованием функций подобия. На рис. 3 показана деформированная делительная сетка для образца №16 из стали 45, обработанного по режимам: скорость резания 0,1 м/мин, профильный рад иус 0,15 мм, передний угол 35, толщина срезаемого слоя 0,3 мм. На рис. 4 представлены значения интегральных показателей деформированного состояния образца №16, рассчитанные МКЭ и с помощью метода делительных с еток (МДС).

Анализ полученных результатов показал хорошее соответствие результатов, полученных по параметрам ОД, методами делительных сеток и конечных элементов. Максимальная погрешность значений не превышает 15%.

В ходе исследований установлено, что история нагружения оказывает с ущественное влияние на формирование программ нагружения (р ис. 5-6). Для образца №51 из стали 45, обработанного по режимам: профильный радиус ролика 2,5 мм, усилие обкатывания 2500 Н, подача 0,07 мм/об, который характеризуется интенсивным пластическим течением, значения с учетом и без учета ИН отличаются незначительно. Значения без учета ИН ниже, чем с учетом ИН, при этом разница для последующих рабочих ходов увеличивае тся.

Для образца №56 из стали 45, обработанного по режимам: профильный радиус ролика 5 мм, усилие обкатывания 1500 Н, подача 0,07 мм/об, пластическое течение в котором менее интенсивное, закономерности обратные. Знач ения, рассчитанные без учета ИН, значительно больше, чем с учетом ИН.

Значения без учета ИН больше, чем с учетом ИН. Для проверки адекватн ости принятых моделей (6) и (7) расчета накопленной деформации и показателя напряженного состояния в ключевых точках ПН с помощью интегрального уравнения второго рода были определены коэффициенты ядра и резоль венты ядра методом двухпараметрической оптимиз ации (рис. 7-8).

Рис. 3. Деформированная делительная Рис. 4. Мгновенные значения инте нсетка для образца №16 сивности скоростей деформации и В ходе исследований выявлено, что технологическое наследование оказывает существенное влияние на форму программ нагружения, которое выражае тся в «сжатии» программ нагружения по осям, то есть в уменьшении накапл иваемой деформации и абсолютных значений показателя напряженного состо яния на каждой последующей стадии нагружения, а также в изменении формы участков квазимонотонной деформации.

Экспериментальные и аналитические программы нагружения на стадиях резания и ППД, полученные метод ами делительных сеток и конечных элементов, и на основе параметров ОД по модели (4), приведены на рис. 9-10.

Установлено, что формирование программ нагружения на стадиях резания и ППД подчиняется общим закономерностям. Накопление деформации на пе рвом участке квазимонотонной деформации происходит в условиях «см ягчения»

схемы напряженного состояния, на втором участке деформация накапливается в условиях перехода показателя напряженного состояния в более «жесткую»

область. Особенностью ПН на стадии резания является в целом более «жес ткая» схема напряженного состоян ия, приводящая к разделению потоков мета лла и образованию стружки, а также более значительное по сравнению с ППД накопление деформации на втором участке. Для экспериментальных программ нагружения характерно более плавное изменение направления знака деформ ации, что выражается в их сглаже нной форме.

Выявлено, что накопленная поверхностным слоем деформация оказывает существенное влияние на параметры качества поверхностного слоя.

В ходе исследований получены модели влияния степени деформации сдв ига на степень упрочнения (11), параметр шероховатости Ra (12).

Анализ данных показал, что с увеличением накопленной деформации глубина и степень упрочнения возрастают, зависимость параметра Ra от накопленной деформации носит экстремальный характер.

Рис. 5. Степень деформации сдвига в Рис. 6. Показатель напряженного соключевых точках ПН с учетом и без стояния в ключевых точках ПН с уч еучета истории нагружения для образ- том и без учета истории нагружения Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность разработанных аналитических моделей формирования и трансформации пр ограмм нагружения и не противоречат результатам других авторов.

Полученные в ходе экспериментальных исследований зависимости объясняют более 85% всей дисперсии экспериментальных данных, относительная погрешность определения не превышает 10%.

Рис. 7. Степень деформации сдвиг а в Рис. 8. Показатель напряженного с оключевых точках ПН с учетом ИН, стояния в ключевых точках ПН с уч ерассчитанная с использованием МКЭ том ИН, рассчитанный с использован ии формулы (6) для образцов №51, 56 ем МКЭ и формулы (7) для образцов Рис. 9. Экспериментальная (МДС) и Рис. 10. Экспериментальная (МКЭ ) и аналитическая (ОД) программа н а- аналитическая (ОД) программа нагругружения на стадии резания для об- жения на стадии ППД для образца № В пятой главе представлены методики, алгоритмы и программная система проектирования упрочняющих технологических процессов, позволяющие контролировать наследуемые параметры качества поверхностного слоя и циклич ескую долговечность деталей машин на основе формирования заданной пр ограммы нагружения.

Разработанные аналитические зависимости формирования и трансформ ации программ нагружения положены в основу структурно-аналитической модели проектирования упрочняющих технологических процессов, обеспеч ивающих заданное качество поверхностного слоя.

На базе структурно-аналитической модели разработан алгоритм проект ирования упрочняющих технологических процессов ППД, в соответствии с которым на первом этапе по режимам обработки определяются геометрические параметры очагов деформации, далее производится расчет н акопленной степени деформации сдвига и показателя напряженного состояния в ключевых то чках программы нагружения и производится корректировка с учетом истории нагружения. Затем выполняется аппроксимация участков ПН, рассчитывается накопленная деформация, степень исчерпания запаса пластичности, параметры качества поверхностного слоя и циклическая долг овечность.

Этапы разработанного алгоритма реализованы в виде программной системы, прошедшей официальную регистрац ию и включенной в реестр пр ограмм для ЭВМ Российского агентства по патентам и товарным знакам. Программная система «Программа нагружения поверхностного слоя деталей машин » позволила автоматизировать расчет программ нагружения на стадиях р езания и ППД, исчерпания запаса пластично сти, параметров качества поверхн остного слоя и циклической долговечности на основе заданного маршрута обработки и режимов.

Результаты научных исследований апробированы и приняты к внедрению на машиностроительных предприятиях в виде методик, программной системы расчета и технологических процессов с суммарным ожидаемым годовым экономическим эффектом 464 350 рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлены базовые закономерности формирования поверхностного слоя на основе накопления им пла стической деформации и научно обоснована роль программ нагружения, отражающих физический характер технолог ического наследования и позволяющих обеспечить заданное качество и до лговечность упрочняемых деталей м ашин.

2. Разработана структурная модель обеспечения качества поверхностного слоя в процессах резания и ППД, в основу которой положены закономерности накопления деформации и исчерпания запаса пластичности металла в наследственных очагах деформации под воздействием технологических режимов обработки.

3. Разработаны аналитические модели формирования качества поверхностного слоя, учитывающие сложный немонотонный характер накопления деформации и позволяющие выполнять расчеты параметров качества с уч етом технологического наследования.

4. Выполнены экспериментальные исс ледования и установлены зависимости параметров наследственных очагов деформации от режимов обработки, с одной стороны, и качества поверхностного слоя от программ нагружения с другой. Выявлено, что с учетом технологического наследования при значении степени деформации сдвига на всех рассматриваемых операциях обглубина упрочнения составляет h 1,35 1,4 мм, стеработки печивающих интенсивное пластическое течение металла, минимальное значение шероховатости Ra 0,3 мкм достигается при степени деформации 0,8 ; на режимах, обеспечивающих незначительное пластическое течение, минимум шероховатости Ra 0,6 мкм соответствует степени дефо рмации 5. Разработана методика проектирования процессов упрочняющей механич еской обработки ППД с учетом наследования свойств поверхностного слоя, позволяющая формировать рациональную структуру технологическ ого процесса, и даны рекомендации по назначению режимов обработки, обеспечивающих требуемые программы нагружения с позиций заданного кач ества и долговечности.

6. Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены на маш иностроительных предприятиях в ви де методик, алгоритмов и пр ограммной системы, зарегистрированной в реестре программ для ЭВМ Российского агентства по патентам и товарным знакам, что позволило снизить материалоемкость при обеспечении требуемой долговечности деталей ма шин.

Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект составляет 464 350 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в работах В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Блюменштейн В. Ю. Аналитическое описание программ нагр ужения на стадиях механической обработки [Текст] / В. Ю. Блюменштейн, К. П. Петренко // Вестник КузГТУ. – 2009. – №6. – С. 77 – 83.

2. Блюменштейн В. Ю. Влияние истории нагружения на трансформацию пр ограмм нагружения в процессах механической обработки [Текст] / В. Ю.

Блюменштейн, А. А. Кречетов, К. П. Петренко // Упрочняющие технологии и покрытия. – М. : Машиностроение, 2010. – №3. – С. 3 – 8.

3. Петренко К. П. Структурно-аналитическая модель формирования состо яния поверхностного слоя на стадиях механической обработки [Текст] / К.

П. Петренко // Автомобильная про мышленность. – М. : Машиностроение, Публикации в других изданиях:

4. Блюменштейн В. Ю. Онтология технологической наследственности с п озиций программ нагружения очагов деформации на стадиях рез ания и ППД [Текст] / В. Ю. Блюменштейн, К. П. Петренко // Инструмент Сибири – 5. Петренко К. П. Методика проведения экспериментального исслед ования технологического наследования [Текст] / К. П. Петренко // Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков: сборник т рудов Всероссийской конференции молодых ученых. – Томск: ТНЦ СО РАН, 2000. – С. 6. Петренко К. П. Технологическое наследование в категориях программ н агружения на стадиях резания и ППД [Текст] / К. П. Петренко // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инжене рных и научных кадров: Сборник трудов 39 -й Международной научно технической конференции ААИ. – Москва, 2002. – С. 25 – 27.

7. Петренко К. П. Формирование механических параметров поверхнос тного слоя на стадии резания [Текст] / К. П. Петренко // «Молодые ученые Ку збассу»: Сборник трудов 2 -й областной научной конференции. – Кемерово, 2003. – С.261 – 262.

8. Петренко К. П. Моделирование программ нагружения на стадии ППД с п озиций технологического наследования [Текст] / К. П. Петренко // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении: труды Всеро ссийской научно-практической конференции. – Юрга, 2003. – С. 144 – 145.

9. Закономерности формирования состояния поверхностного слоя при св ободном ортогональном резании [Текст] / А. А. Кречетов, К. П. Петренко – Кузбасс. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2003. – 14 с. – Деп. в ВИНИТИ №81 – 10. Петренко К. П. Аналитическое описание программ нагружения в процессах упрочняющей механической обработки [Текст] / К. П. Петренко // Современные проблемы технологии машиностроения: сборник трудов Всеро ссийской научно-практической конференции. – Новосибирск, 2009. – С. 11. Петренко К. П. Формирование качества поверхностного слоя под действ ием программ нагружения в процессах механической обрабо тки [Текст] / К.

П. Петренко // Инженерия поверхностного слоя деталей машин: труды Международной научно-практической конференции. – Кемерово, 2009 – С.

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612754, Российская Федера ция. Программа нагружения поверхностн ого слоя деталей машин / В. Ю. Блюменштейн, А. А. Кречетов, К. П. Петренко; правообладатель К. П. Петренко. – Заявка № 2010610200; дата п оступления 19 января 2010; дата регистрации 22 апреля 2010.

Подписано в печать 29.10.2010. Формат 60 84/ Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч. изд. л. 1,0.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический универ ситет»

Типография государственного образовательного учреждения «Кузбасский государственный технический университет »