Брянск, Брянская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
УДК 621.787.6 при помощи ударов, струйной обработкой
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Выполнено исследование совокупного влияния внешних форм образцов и внутренних полостей, а также волн деформации, генерируемых в ударных системах с различным отношением длин бойка и волновода (L1/L2=3, 5, 10), на результаты волнового деформационного упрочнения (ВДУ). Для проведения исследований используется конечно-элементное моделирование. Исследования выполнены на прямоугольных, треугольных и цилиндрических образцах одинаковой толщины и объема. Влияние форм внутренних полостей на эффективность упрочнения оценивалось посредством формирования в образцах прямоугольного, треугольного и цилиндрического пазов одного и того же объема. Исследования проводились на материалах: сталь 45, титан ВТ 1-0, бронза БрАЖ 9-4, алюминий В95. Установлено, что прямоугольная форма, как самого изделия, так и внутреннего паза оказывает наибольшее влияние на характеристики упрочнения, по сравнению с другими рассматриваемыми формами. Установлено, что более значимое влияние на эффективность упрочнения оказывает не форма самого изделия и наличия в нем полостей, а параметры ударной системы: соотношение длин бойка и волновода.
материал, упрочнение, боек, волновод, упрочнение, форма, образц, полость
Введение
Технология волнового деформационного упрочнения (ВДУ) находит применение в современной промышленности для повышения долговечности изделий [1]. В основе способа лежит нагружение обрабатываемого материала волнами деформации, генерируемыми ударной системой [2-5]. Упрочнение материала имеет волновой характер, формируется вследствие воздействия на элементарную область образца совокупности прямых и отраженных волн деформации [6-8]. Известно, что на эффективность передачи энергии волны деформации при ВДУ большое влияние оказывают параметры элементов ударной системы (отношение длин бойка L1 и волновода L2) и материал среды нагружения (рис. 1) [9-12]. Установлено, что значимое влияние на эффективность упрочнения при ВДУ оказывают размеры обрабатываемого образца [13-15].
Особенности формирования упрочненного слоя в процессе ВДУ объясняются тем, что энергия в очаг деформации поступает в виде подготовленной волны упругой деформации, которая генерируется при ударе бойка по волноводу. Длина и бойка, и волновода превышает длину волны, которая распространяется по элементам ударной системы и в обрабатываемом образце со скоростью звука. Проходя через участки с разными акустическими жесткостями, волна деформации преобразуется на всех границах участков на проходящую и отраженную волны. Вследствие высокой скорости распространения волн в металлах, в упрочняемом образце формируются волновые состояния, являющиеся уникальными в каждый конкретный момент времени. Упрочнение материала является следствием интерференции волн деформации в каждом элементарном объеме образца. Исходя из данных теоретических положений, результаты упрочнения зависят не только от конечных размеров, но и от формы образца, а также наличия, размеров и формы полостей в нем.
Целью работы является исследование влияния отношения длин бойка и волновода, форм образцов и внутренних полостей обрабатываемого материала на характер волнового деформационного упрочнения. Исследование выполнено с привлечением средств современного инженерного анализа, конечно-элементного моделирования, что позволяет быстро получить большой объем информации и значительно сократить сроки проведения исследований.
Рис. 1. Схема волнового деформационного упрочнения (ВДУ):
1 – боек, 2 – волновод, 3 – инструмент, 4 – упрочняемый образец, А – энергия удара, f – частота ударов, РST – статическая нагрузка, Рk – контактная сила в очаге деформации, s – подача, b – ширина инструмента, L1, L2 – длина бойка и волновода, d1, d2 – диаметр поперечного сечения бойка и волновода, δ – размер пластического отпечатка
Fig.1. Scheme of wave strain hardening (WDS): 1 - striker, 2 - waveguide, 3 - tool, 4 - hardened sample, А - impact energy, f - impact frequency, РST - static load, Рk - contact force in the deformation zone, s - feed, b - tool width, L1 , L2 is the length of the striker and waveguide, d1, d2 is the cross-sectional diameter of the striker and the waveguide, δ is the size of the plastic indentation
Материалы, модели, эксперименты и методы
Средой для проведения конечно-элементного моделирования является программный комплекс Ansys - мультидисциплинарная платформа для решения широкого спектра задач.
На первом этапе исследования создавались модели обрабатываемых материалов. Для этого использовались данные справочной литературы и результаты проведенных механических испытаний образцов из используемых для ВДУ материалов. На втором этапе, моделировались ударные системы с диапазоном отношений длин бойка L1 и волновода L2 3…10. Для каждого материала разные соотношения L1/L2 дают индивидуальные формы ударного импульса (закон изменения силы удара во времени), которые использовались при создании моделей ВДУ на третьем этапе. Модель ВДУ состояла из обрабатываемого материала 2, инструмента, наносящего удары 1 и стола 3 (рис. 2). Инструмент, согласно закону изменения силы во времени (зависящего от отношений L1/L2), полученном на втором этапе, наносит серию ударов по обрабатываемому материалу 2, который продольно движется вместе со столом 3. Обрабатываемый материал 2, без каких либо ограничений и граничных условий (свободно) размещен на столе 3. Равномерность нанесения ударов по обрабатываемому материалу определяется с помощью коэффициента перекрытия К, который зависит от размера отпечатка удара инструмента, частоты ударов и скорости движения обрабатываемого материала. В случае К=1, удары наносятся без смещения образца (в одно и то же место). При К=0, края отпечатков ударов инструмента перекрываются и граничат друг с другом [2].
В моделях, в качестве инструмента 1, использовался стержневой ролик диаметром 10 мм и длиной 30 мм. Удары наносились с энергией 30 Дж и коэффициентом перекрытия К=0,4. Для оценки влияния разных типов волн деформаций созданы модели ударных систем, с отношением длин бойка L1 и волновода L2: 3, 5, 10. В качестве обрабатываемых материалов использовались: сталь 45, титан ВТ 1-0, бронза БрАЖ 9-4, алюминий В-95. Выбор материалов обоснован широтой их применения для изготовления разнообразных изделий в промышленности.
а) б) в)
Рис. 2. Примеры моделей процесса ВДУ с образцами прямоугольной (а), треугольной (б) и цилиндрических (в) форм: 1 - инструмент, 2 – образец, 3 – стол.
Fig. 2. Examples of models of the VDU process with samples of rectangular (a), triangular (b) and cylindrical (c) shapes: 1 - tool, 2 - sample, 3 - table.
Исследование влияния геометрических форм на эффективность упрочнения проводилась на прямоугольных, треугольных и цилиндрических образцах толщиной 6 мм с единым для всех объемом 7200 мм3 (рис. 2).
Для изучения влияния внутренних полостей на характер упрочнения, в прямоугольных исследуемых образцах (30*30*10 мм), вырезались единого объема (300 мм3) треугольные, цилиндрические и прямоугольные пазы. Типы внутренних сечений образцов использованных при ВДУ, представлены на рисунке 3.
а) б) в)
Места измерения микротвердости образца в сечении А-А (рис.2,а).
Locations for measuring the microhardness of the sample in section A-A (Fig. 2, a).
Рис. 3. Треугольные (а), цилиндрические (б) и прямоугольные (в) формы внутренних полостей упрочняемых образцов.
Fig. 3. Triangular (a), cylindrical (b) and rectangular (c) shapes of the internal cavities of the hardened specimens.
|
25 |
Оценки адекватности результатов моделирования проводились на основании их сравнения с данными реального эксперимента, полученными при аналогичных режимах и условиях (размеры единичных отпечатков; значения твердости и глубины упрочнения). Полученные в результате моделирования значения соответствуют результатам эксперимента с уровнем доверительной вероятности 0,95.
Результаты. Исследования влияния формы обрабатываемого материала на эффективность его упрочнения
Во всех рассматриваемых образцах из стали 45 в результате ВДУ установлено сквозное упрочнение на всю толщину образца (6 мм), а наибольшее увеличение степени упрочнения (на 3,5-5,7%) получено при обработке образцов прямоугольной формы (рис. 4). Величины степеней упрочнения, достигнутые при ВДУ образцов треугольных и цилиндрических форм, в рамках одной ударной системы мало отличались. Так при L1/L2=3 и 10, Hm составила 52 и 49%, соответственно.
|
26 |
При упрочнении образцов из бронзы (БрАЖ 9-4) прямоугольной формы, по сравнению с треугольной и цилиндрической, установлено на 2,7% большее повышение степени упрочнения (значения глубины упрочнения практически не изменились). Использование ударных систем с отношением L1/L2=3, 5 и 10 привело к формированию следующих значений степени и глубины упрочнения при ВДУ образцов прямоугольной формы: Hm=112% и hm=2,8 мм; Hm=113% и hm=2,9 мм; Hm=110% и hm=2,5 мм, соответственно. В случае упрочнения образцов цилиндрической формы: Hm=107% и hm=2,3 мм; Hm=110% и hm=2,35 мм; Hm=104% и hm=2 мм, соответственно. При обработке образцов треугольной формы: Hm=107% и hm=2,38 мм; Hm=110% и hm=2,48 мм; Hm=104% и hm=2,35 мм, соответственно.
При упрочнении алюминия (В-95), образцы прямоугольной формы по сравнению с треугольными обеспечили повышение степени упрочнения на 4,9% и глубины на 13,6%, а с цилиндрическими - Hm на 6,4% и hm на 26,2%. Применение ударных систем с отношением L1/L2=3, 5 и 10 привело к формированию следующих значений степени и глубины упрочнения при ВДУ образцов прямоугольной формы: Hm=74% и hm=2,5 мм; Hm=113% и hm=3,2 мм; Hm=87% и hm=1,9 мм, соответственно. В случае упрочнения образцов цилиндрической формы: Hm=68% и hm=1,9 мм; Hm=108% и hm=2 мм; Hm=81% и hm=1,7 мм, соответственно. При обработке образцов треугольной формы: Hm=71% и hm=2,3 мм; Hm=106% и hm=2,5 мм; Hm=84% и hm=1,8 мм, соответственно.
Исследование влияния внутренних полостей на характер упрочнения в разных ударных системах
При анализе результатов эксперимента установлено сквозное упрочнение исследуемых областей обрабатываемых материалов, поэтому оцениваться будет только достигнутая максимальная степень упрочнения. Так, при упрочнении из стали 45 с L1/L2=3 образцов с прямоугольной формой внутренней полости достигнута Hm=47,5%, тогда как в образцах с треугольной и цилиндрической формой Hm=46,5%.
При ВДУ, в образцах из стали 45 с прямоугольной формой внутренней полости, по сравнению с цилиндрическими и треугольными достигнута на 3-4% большая степень упрочнения. Так, в образцах с прямоугольной, треугольной и цилиндрической формами внутренних полостей, при их ВДУ с L1/L2=3 достигнута степень упрочнения равная 47,5; 46,5 и 46,4%, соответственно. При L1/L2=5, Hm составила 50,8; 49,3 и 49,1%, а при L1/L2=10, Hm =48,5; 46,5 и 45,3%, соответственно.
При ВДУ, в образцах из титана (ВТ 1-0) с прямоугольной формой внутренней полости, достигнута большая степень упрочнения по сравнению с цилиндрическими на 3,8%, а с треугольными на 3,2%. Так, в образцах с прямоугольной, треугольной и цилиндрической формами внутренних полостей, при их ВДУ с L1/L2=3 достигнута степень упрочнения равная 74,2; 72,1 и 69,8%, соответственно. При L1/L2=5, Hm составила 83,4; 79,4 и 81,5%, а при L1/L2=10, Hm =71; 69,7 и 68,6%, соответственно.
При ВДУ, в образцах из бронзы (БрАЖ 9-4) с прямоугольной формой внутренней полости, достигнута большая степень упрочнения по сравнению с цилиндрическими на 0,7%, а с треугольными на 8%. Так, в образцах с прямоугольной, треугольной и цилиндрической формами внутренних полостей, при их ВДУ с L1/L2=3 достигнута степень упрочнения равная 79,9; 71,5 и 76,8%, соответственно. При L1/L2=5, Hm составила 82,7; 78,3 и 85,8%, а при L1/L2=10, Hm =78,3; 69,5 и 76,6%, соответственно.
При ВДУ, в образцах из алюминия (В-95) с прямоугольной формой внутренней полости, достигнута большая степень упрочнения по сравнению с цилиндрическими на 23,8%, а с треугольными на 18,1%. Так, в образцах с прямоугольной, треугольной и цилиндрической формами внутренних полостей, при их ВДУ с L1/L2=3 достигнута степень упрочнения равная 53; 42,6 и 40,7%, соответственно. При L1/L2=5, Hm составила 89,4; 71,4 и 64,5%, а при L1/L2=10, Hm =50,2; 43,2 и 41,5%, соответственно.
|
27 |
Заключение
В результате проведенных исследований установлена взаимосвязь между эффективностью упрочнения, формой образцов из различных обрабатываемых материалов, формой внутренних полостей, волнами деформации, генерируемыми в ударных системах с L1/L2=3, 5, 10.
1. Установлено, что образцы прямоугольной формы по сравнению с треугольной и цилиндрической, обеспечивают формирование большей степени и глубины упрочнения, в рамках использования одной и той же ударной системы с теми или иными параметрами бойка и волновода.
2. Установлено, что доминирующее влияние на эффективность упрочнения оказывают параметры ударной системы - отношение длин бойка и волновода, а не форма обрабатываемого образца или марка материала.
3. Установлено, что наличие в образцах пазов с прямоугольной формой, по сравнению с цилиндрической, обеспечивает формирование большей степени упрочнения.
1. ФПИ и Минобрнауки России открыли в Брянске лабораторию по развитию технологий упрочнения металлов. Фонда перспективных исследований: официальный сайт. - 2021. - URL: https://fpi.gov.ru/press/news/fpi-i-minobrnauki-rossii-otkryli-v-bryanske-laboratoriyu-po-razvitiyu-tekhnologiy-uprochneniya-metal/
2. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2004. 288 с. ISBN 5-217-03245-6.
3. Яшин А.В. Технологическое обеспечение качества каркасных деталей из алюминиево-магниевых сплавов многоконтактным волновым деформационным упрочнением: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Яшин Александр Васильевич, Брянский государственный технический университет. Брянск, 2020. 159 с. Место защиты: Брянский государственный технический университет. Текст: непосредственный.
4. Федонина С.О. Повышение качества синтезированных из проволоки деталей волновым термодеформационным упрочнением: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Федонина Светлана Олеговна, Брянский государственный технический университет. Брянск, 2021. 186 с. Место защиты: Брянский государственный технический университет. Текст: непосредственный.
5. Kirichek A.V., Soloviyov A.V., Silantiev S.A. Opening wave strain strengthening // Materials science forum. 2016. Vol.870. P. 364-370. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.870.364
6. Киричек А.В., Кузьменко А.П., Соловьев Д.Л., Баринов С.В., Алтухов А.Ю., Силантьев С.А., Гречухин А.Н., Мьо М. Т. Ударно-волновой механизм микро- и наноструктурных изменений при статико-импульсной обработке стали 45. Известия Юго-Западного Государственного Университета. 2015. № 6 (63). С. 8-16.
7. Kirichek A.V., Kuzmenko A.P., Soloviev D.L., Barinov S.V., Altukhov A.Yu., Silantiev S.A., Grechukhin A.N., Myo Min Than, Dobromyslov M.B. Dimensional Effects in Micro- and Nanostructural Changes in Grain and Intragrained Structure of Steel 45 at Static-pulse Treatment. Journal of Nano and Electronic Physics. 2015. Vol. 7(4), P.04023.
8. Киричек А.В., Баринов С.В., Яшин А.В., Зайцев А.А., Константинов А.М. Проблема учета реальных размеров изделий при волновом деформационном упрочнении. Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 1 (86). С. 4-10. DOI:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2020-2020-1-4-10.
9. Кузьменко А.П., Тан М.М., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Баринов С.В. Опытное подтверждение интерференционного механизма ударно-волнового деформационного структурирования материалов. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10. № 2. С. 98-120.
10. Eremyants V.E., Nju V.V. About selection of parameters of hydraulic vibro-impact machines for surface cleaning. Journal of Advanced Research in Technical Science. 2016. №3. P. 20-24.
11. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969. 201 с.
12. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э., Мартыненко Л.М. Расчет ударных систем с неторцевым соударением элементов. Фрунзе: Илим, 1979. 109 с.
13. Киричек А.В., Баринов С.В., Яшин А.В., Константинов А.М., Зайцев А.А. Влияние обрабатываемой среды на эффективность передачи энергии ударного импульса при волновом деформационном упрочнении. Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 11(84). С.13-18. DOI:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2019-2019-11-13-18.
14. Kirichek A.V., Barinov S.V., Yashin A.V. The peculiarities of the influence of the finite sizes of a detail on the distribution of the surface layer micro-hardness in case it is hardened by a deformation wave. Journal of Nano and Electronic Physics. 2015. Vol.7(4) P. 04019. DOI: 2077-6772/2015/7(4)04019(4).
15. Kirichek A.V., Barinov S.V., Umnov D.O. Study of the influence of the shape of internal cavities on the nature of wave strain hardening. Materials Science Forum. 2021;1037: 429-434. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.429.
16. Kirichek A.V., Barinov S.V. Relationship Between Processing Parameters Product Dimensions and Wave Strain Hardening. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2022;144(3):34501. https://doi.org/10.1115/1.4052008.
