МЕХАНИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ КАК НАУЧНАЯ ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

 

Блюменштейн В.Ю. (КузГТУ, Кемерово, РФ)

 

The problem of quality raise and detail durability by revealing physical regularities of formation and transformation of the surface layer at the life cycle stages has been solved in the article. The theory of technological inheritance, design methods and methods of control of surface plastic deformation process has been also developed.

 

Технологическое наследование (ТН) должно учитываться при проектировании технологических, особенно, упрочняющих процессов поверхностного пластического деформирования (ППД). Несмотря на всю сложность явления ТН, современная наука позволяет описать протекающие в поверхностном слое явления с использованием положений механики деформируемых сред. Согласно положениям механики деформируемых сред на всех стадиях ЖЦ, включая резание, ППД и эксплуатационное усталостное нагружение детали, происходит непрерывное накопление деформаций и исчерпание запаса пластичности металла. При накоплении предельных деформаций и полном исчерпании запаса пластичности металла  в поверхностном слое детали возникает несплошность в виде трещины, поведение которой в дальнейшем описывается в категориях механики разрушения. Интенсивность протекания этих явлений зависит от программ нагружения металла (ПН). Она зависит от истории процесса пластической деформации и определяется, в свою очередь, режимами обработки и эксплуатации деталей машин.

Оценка качества металла поверхностного слоя проводилась с помощью феноменологического критерия «степень исчерпания запаса пластичности (СИЗП)», который учитывает историю нагружения металла:

где -составляющая, зависящая от напряжения текучести или от накопленной деформации; -составляющая, зависящая от пластичности металла в условиях постоянства показателя схемы напряженного состояния ; -среднее напряжение; -интенсивность касательных напряжений;  и -накопленная и предельная степень деформации сдвига при данном ; -коэффициент деформационного упрочнения; -коэффициент, определяемый на основе испытаний на пластичность. В неупрочненном металле , а при полном исчерпании запаса пластичности .

В качестве базовой модели при решении задач механики технологического наследования качества поверхностного слоя на стадиях механической обработки использована феноменологическая модель формирования поверхностного слоя при ППД, разработанная в МГТУ «МАМИ» В.М. Смелянским. В соответствии с этой моделью в зоне контакта инструмента с деталью возникает асимметричный очаг деформации (ОД), напряженно-деформированное состояние которого характеризуется тензорами напряжений и скоростей деформаций, а формирование поверхностного слоя происходит в результате деформации частиц поверхностного слоя по линиям тока.

Разработана концептуальная модель механики технологического наследования состояния поверхностного слоя на стадиях жизненного цикла детали. Математическая модель процесса исчерпания запаса пластичности на стадиях ЖЦ детали представлена системой кинетических уравнений, описывающих ТН как непрерывный процесс формирования поверхностного слоя по стадиям и этапам с учетом сложной немонотонной истории нагружения.

В исходном состоянии в металле поверхностного слоя отсутствуют деформации и поврежденность, тензор остаточных напряжений имеет нулевое значение:

На стадии резания () в очаге пластической деформации накопление степени деформации сдвига  и исчерпание запаса пластичности  происходит в пределах каждого из трех установленных квазимонотонных этапов (), на границах которых происходит частичное залечивание дефектов в соответствии с феноменологической моделью (1); остаточные напряжения в обработанном поверхностном слое характеризуются тензором .

Нагружение на стадии ППД () приводит к релаксации остаточных напряжений и  дальнейшему накоплению деформаций и исчерпанию запаса пластичности металла на трех квазимонотонных этапах деформирования в ОД от уровня, достигнутого на стадии резания. В итоге это приводит к новому состоянию поверхностного слоя с определенными степенью деформацией сдвига, поврежденностью и остаточными напряжениями:

(3)

На стадии циклической долговечности () происходит дальнейшее накопление деформаций. Это происходит в условиях действия показателя схемы напряженного состояния , определяемого как результат совместного действия эксплуатационных (усталостных)  и остаточных  напряжений. В процессе циклического нагружения в каждом цикле  происходит постепенная релаксация остаточных напряжений, приводящая к изменению показателя схемы . В момент окончания стадии циклической долговечности остаточные напряжения равны нулю. Под влиянием действующих напряжений в поверхностном слое накапливается деформация  и поврежденность . За  циклов стадии циклической долговечности в некоторой точке вероятного разрушения накопилась предельная деформация  и произошло полное исчерпание запаса пластичности металла () и возникновение видимой трещины.

Дальнейшее усталостное нагружение (стадия ) описывается в категориях диаграмм циклической трещиностойкости, на которых развитие видимой трещины глубиной  начинается с порогового коэффициента интенсивности напряжений , а заканчивается вязким разрушением детали, соответствующим критическому коэффициенту интенсивности напряжений .

Разработана система математических уравнений формирования и трансформации состояния поверхностного слоя в терминах и категориях обобщенных программ нагружения в виде  на стадиях резания, поверхностного пластического деформирования и эксплуатационного циклического нагружения деталей. ПН представлены в виде унифицированных экспоненциальных моделей, в соответствии с которыми происходит накопление деформации в условиях изменяющихся схем наследуемого напряженного состояния металла поверхностного слоя в очаге пластической деформации.

Показано, что состояние поверхностного слоя после каждой стадии нагружения определяется предложенной системой наследственных уравнений, описывающих параметры очагов деформации, программы нагружения и состояние поверхностного слоя, а общее описание проявления наследственности при формировании программы нагружения  этапа при наличии  предшествующих этапов представлено в виде функционала:

.

(4)

Изложены результаты исследований механики ТН состояния поверхностного слоя детали в процессах обработки резанием и ППД и усталостного нагружения. Задачи решались в жестко- и упругопластической постановке с использованием методов линий скольжения, конечных элементов и делительных сеток. С помощью специально разработанных методик цифровой фото- и видеосъемки исследованы картины течения металла в очагах пластической деформации и получена совокупность начальных и граничных условий в виде координат характерных точек ОД, параметров упрочнения, условий на контактных и внеконтактных поверхностях и др. Проведены теоретические и экспериментальные исследования механики технологического наследования состояния поверхностного слоя по схемам последовательного нагружения «резание-резание», «резание-ППД», «резание-ППД1-ППД2-ППД3», «ППД-усталость» и др.

Важным результатом проведенных исследований явилось получение закономерностей формирования остаточных напряжений в зависимости от истории нагружения.

Выполнены исследования стадии циклической долговечности (до зарождения усталостной трещины) с применением единых со стадиями механической обработки резанием и ППД терминов и категорий, что позволило развить представления о механике ТН в область эксплуатационного усталостного нагружения.

Результаты исследований доведены до уровня функционалов наследственного типа (ФНТ), построенных в терминах и категориях программ нагружения и степени исчерпания запаса пластичности, что позволило составить новое целостное представление о закономерностях формирования и трансформации свойств поверхностного слоя деталей машин в наследственной постановке.

Разработана методика автоматизированного проектирования упрочняющих технологических процессов, позволяющая определять усталостную долговечность деталей машин по выбранной структуре технологического процесса с определенным набором режимов обработки или по заданной долговечности деталей в процессе эксплуатации определять структуру технологического процесса и, соответственно, режимы обработки. Выполнены экспериментальные исследования и разработана методика технологического контроля степени деформации и степени исчерпания запаса пластичности металла поверхностного слоя на стадиях резания, ППД и усталостного нагружения в терминах и категориях физических ультразвуковых и акустико-эмиссионных сигналов.