employee
Staryy Oskol, Belgorod, Russian Federation
graduate student
Russian Federation
employee
Russian Federation
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
The main causes of failure of heavily loaded threads are considered. The methods of increasing the efficiency of the equipment due to the method used are proposed. It is found that improving the operational characteristics of the components of mining and metallurgical machinery can be achieved forming heterogeneous-hardened surface layer. Methods of forming heterogeneous structure by surface plastic deformation (SPD are considered). The importance of identifying the nature of the influence of parameters of heterogeneous hardened layer on the performance of machine parts is indicated. Modeling of process heterogeneous hardening of SPD of the finite element method is executed. Recommendations about application of heterogeneous hardening of SPD for hardening the heavy-duty parts are offered. It is found that the use of different methods SPD allows widely vary the degree of depth and the uniformity of the hardening of machine parts. It is found that this increase in life responsible highly loaded parts operating under fatigue loading due to hardening of the heterogeneous surface layer may reach 1.5 times or more.
heterogeneous hardening, surface plastic deformation, fatigue strength, simulation, finite elements, mining and metallurgical machinery, quality
В горных и металлургических машинах имеется большое количество тяжелонагруженных резьбовых соединений, подвергающихся усталостному нагружению. Наиболее эффективным способом для повышения усталостной прочности резьб является обработка их пластическим деформированием – накатыванием [1, 2–5]. Однако, традиционное накатывание со статическим нагружением деформирующего инструмента часто не обеспечивает требуемых для тяжелонагруженных резьб степени и глубины упрочнения. Значительную глубину и степень упрочнения возможно получить методом применения динамических (ударных) методов поверхностного пластического деформирования статико-импульсной обработки (СИО) [6, 7, 8].
Статико-импульсная обработка происходит при условии сочетания постоянного статического воздействия и периодического динамического деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность. Возникающее при этом динамическое (ударное) воздействие создает большие напряжения в пятне контакта заготовки и инструмента, затрачивая при этом небольшие мощности. Статический поджим при этом помогает передавать ударные импульсы в обрабатываемую поверхность наиболее эффективно. При статико-импульсной обработке возможно использование, в качестве генерации ударных импульсов, электрических, пневматических и гидравлических генераторов ударных импульсов.
Нагружение инструмента ударной системой, которая состоит из волновода и бойка, обеспечивает формирование импульсов заданной формы, что позволяет добиться обеспечения оптимальных условий для протекания процесса пластической деформации. При статико-импульсной обработке возможно достижение глубины упрочнения до 10 мм и более при степени упрочнения до 100 % и более [8].
Крупные тяжелонагруженные резьбы в большинстве случаев не могут быть получены накатыванием по целому. В связи с этим для их формообразования применяется комбинированная режуще-деформирующая обработка, при которой часть материала из впадины резьбы удаляется обработкой резанием, а оставшаяся часть выдавливается СИО в выступ [9–11, 13].
При определении размеров предварительно нарезанной канавки необходимо рассчитывать не только припуск под накатывание, но и определять геометрическую форму канавки и витков инструмента, определяющие схему перемещения металла из выступа во впадину, то есть схему деформирования.
Основные схемы деформирования в осевом сечении заготовки при статико-импульсном упрочнении резьб в зависимости от формы предварительно нарезанной винтовой канавки на примере трапецеидального профиля приведены на рис. 1.
|
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 1. Основные схемы деформирования при упрочнении СИО резьб в осевом сечении заготовки:
1 – нарезанная канавка; 2 – припуск под СИО
Полнопрофильная схема деформирования (рис. 1, а) является наиболее распространенной. Она реализуется при СИО резьбы по предварительно нарезанной канавке, форма которой полностью совпадает с формой канавки готовой резьбы, а глубина меньше, чем высота профиля готовой резьбы. Основным преимуществом полнопрофильной схемы является возможность использования для ее реализации стандартного резьбонарезного и резьбонакатного инструмента, например, резьбонарезных гребенок и резьбонакатных роликов.
Послойная схема (рис. 1, б) реализуется при статико-импульсной обработке резьбы по канавке, вырезанной на всю ширину впадины на глубину, меньше высоты профиля в готовой резьбе. Использование послойной схемы приводит к возникновению под вершинами витков деформирующего инструмента застойных зон. В связи с этим, ее целесообразно использовать только при изготовлении резьб небольшого шага (не более 2 мм).
Угловая схема деформирования (рис. 1, в) реализуется при СИО резьбы по канавке, угол профиля которой больше или меньше угла профиля готовой резьбы. Угловая схема обеспечивает большую глубину упрочнения, по сравнению с полнопрофильной [7], однако требует для своей реализации резьбообразующего инструмента нестандартной конструкции.
Возвратная схема деформирования (рис. 1, г) реализуется при СИО резьбы по канавке, нарезанной на глубину, большую, чем высота профиля готовой резьбы. Подобная схема обеспечивает минимальные силы деформирования и величину деформации по сравнению с другими. В связи с этим она является предпочтительной при режуще-деформирующей обработке резьб с наиболее крупным шагом.
Существующие схемы деформирования при упрочнении СИО резьб в радиальном сечении заготовки в зависимости от формы предварительно нарезанной винтовой канавки приведены на рис. 2. В настоящее время практическое применение нашла лишь сплошная схема (рис. 2, а). При реализации данной схемы резьбонакатной инструмент вытесняет из впадины одинаковый на всем протяжении деформирования объем металла.
|
а) |
б) |
Рис. 2. Схемы деформирования при упрочнении СИО резьб в радиальном сечении заготовки:
1 – нарезанная канавка; 2 – припуск под СИО
Довольно перспективной является, пока что не применяемая в промышленности схема (рис. 2, б). Реализовав эту схему появляется возможность вырезать объемы металла из впадины неравномерно по окружности.
Классификация схем деформирования во время упрочнения статико-импульсной обработкой резьб соответствует классификации схем деформирования накатывания резьб. Обобщив представленные схемы деформирования, их можно представить в виде, показанном на рис. 3.
Рис. 3. Классификация существующих схем деформирования при упрочнении СИО резьб
Практическая реализация данных схем деформирования при упрочнении СИО наружных резьб возможна с помощью различных методов резьбоформообразования. Предварительное нарезание винтовой канавки в единичном и мелкосерийном производстве целесообразно производить резцами. Этот вид резьбонарезания отличается высокой универсальностью. Резьбовым резцам может быть легко придана необходимая для реализации требуемой схемы деформирования форма на универсальном заточном оборудовании. В крупносерийном и массовом производстве для предварительного нарезания винтовых канавок целесообразно использовать резьбонарезные головки.
Необходимая глубина нарезанной резьбовой канавки зависит от степени деформации, от сил, возникающих при деформировании. В случае превышения данных параметров, возникает вероятность разрушения накатываемой резьбы. Поэтому для точного определения необходимой глубины прорезанной резьбовой канавки исследуем деформации и поля напряжений, возникающих при статико-импульсной обработке. Данные методы возможно будет провести лишь с помощью современных численных методов, таких как метод конечных элементов (МКЭ) [12].
Пример результатов, полученных при моделировании СИО резьб полей эквивалентных деформаций и распределения критерия разрушения Кокрофта-Лейтема приведен на рис. 4. При СИО величина критерия разрушения материала заготовки не должна превышать допустимого значения (для углеродистых сталей 0,65).
Анализ результатов моделирования показал, что при обработке резьб область экономической целесообразности применения СИО шире, чем накатывания статическим нагружением инструмента (рис. 5).
а)
б)
Рис. 4. Распределение эквивалентных деформаций и нормализованного критерия разрушения
Кокрофта-Лейтема при СИО резьбы Тр40×6 по целому (а) и по канавке глубиной 0,5 мм (б)
формообразования и упрочнения наружных резьб пластическим деформированием
– – – – – – накатывание; ––––––––––– – СИО
Рис. 5. Области экономической целесообразности применения способов поверхностного
Выбор наиболее рациональной схемы деформирования способствует обеспечению необходимой глубины упрочнения и требуемой степени упрочнения в процессе статико-импульсной обработки резьб. За счёт этого мы наблюдаем значительное повышение эксплуатационных характеристик ответственных тяжелонагруженных резьбовых деталей, в том числе и крупногабаритных. Усовершенствовав схему деформирования даст возможность повышения значительной стойкости деформирующего инструмента на 150–200 % за счет снижения сил деформирования.
1. Kirichek A.V., Barinov S.V., Solov'ev D.L. Development of parameters for the description of a heterogeneous but strengthened structure [Razrabotka parametrov dlya opisaniya geterogenno-uprochnennoj struktury']. Fundamental and applied problems of engineering and technology [Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii]. 2011. № 1/285. Pp. 63-66. (rus)
2. Kirichek A.V., Solov'ev D.L., Lazutkin A.G. Technology and equipment of static-pulse treatment by surface plastic deformation. Technologist library [Tekhnologiya i oborudovanie statiko-impul'snoj obrabotki poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem. Biblioteka tekhnologa]. M.: Mashinostroenie. 2004. 288 p. (rus)
3. Lapin V.V., Pisarevskij M.I., Samsonov V.V., Sizov Yu.I. Rolling threads, worms, splines and teeth [Nakatyvanie rez'b, chervyakov, shlicev i zub'ev]. L.: Mashinostroenie, Leningr. otdelenie. 1986. 228 p. (rus)
4. Odincov L.G. Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation [Uprochnenie i otdelka detalej poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem]. M.: Mashinostroenie. 1987. 328 p. (rus)
5. Pesin M.V. Improving the reliability of threaded connections for oil and gas products [Povy'shenie nadezhnosti rez'bovy'x soedinenij neftegazovy'x izdelij], Mechanical Engineering Technology [Texnologiya mashinostroeniya]. 2011. No. 9. Pp. 49-50. (rus)
6. Kirichek A.V., Afonin A.N. Investigation of the stress-strain state of the thread rolling tool and the workpiece by the finite element method [Issledovanie napryazhenno deformirovannogo sostoyaniya rez`bonakatnogo instrumenta i zagotovki metodom konechny'x e'lementov]. Machines and tools [Stanki i instrumenty']. 2007. No. 7. Pp. 21-25. (rus)
7. Kirichek A.V., Afonin A.N. Library technologist. Thread rolling [Biblioteka tekhnologa. Rez'bonakatyvanie]. M.: Mashinostroenie. 2009. 312 p. (rus)
8. Kirichek A.V., Solov'ev D.L. Creating a heterogeneous structure of the material by static-impulse processing [Sozdanie geterogennoj struktury' materiala statiko-impul'snoj obrabotkoj]. Machines and tools [Stanki i instrumenty']. 2007. No. 12. Pp. 28-31. (rus)
9. Suslov A.G., Bez"yazychnyj V.F., Panfilov Yu.V. Part Surface Engineering [Inzheneriya poverhnosti detalej]. M.: Mashinostroenie. 2008. 320 p. (rus)
10. Taurit G.E., Puhovskij E.S., Dobryanskij S.S. Progressive threading processes [Progressivnye processy rez'boformirovaniya]. Kiev: Tekhnika. 1975. Pp. 240. (rus)
11. Suslov A.G. Technology and tools for finishing and hardening the processing of parts by surface plastic deformation [Tekhnologiya i instrumenty otdelochno-uprochnyayushchej obrabotki detalej po-verhnostnym plasticheskim deformirovaniem]. M.: Mashinostroenie. 2014. 444 p. (rus)
12. Afonin A.N., Larin A.I., Makarov A.V. Heterogeneous hardening of parts of mining and smelting machines by surface plastic deformation [Geterogennoe uprochnenie detalej gorno-metallurgicheskix mashin poverxnostny`m plasticheskim deformirovaniem]. Proceedings of higher educational institutions. Ferrous metallurgy [Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Chernaya metallurgiya]. 2015. Vol. 58. No. 11. Pp. 823-827. (rus)
13. Kirichek A.V. Effective technologies for mandible, broaching and deforming-cutting processing [Effektivnye tekhnologii dornovaniya, protyagivaniya i deformiruyushche-rezhushchej obrabotki]: kollektivnaya monografiya. M.: Izdatel'skij dom «Spektr». 2011. 328 p. (rus)
