исследование влияния теплового фактора на формирование

Решетников Алексей Алексеевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО ФАКТОРА НА
ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ
Направление 150900 - Технология машиностроения
Автореферат
магистерской диссертации на соискание академической
степени магистра техники и технологии
Самара 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении
высшего
профессионального
образования
Самарском
Государственном
Техническом университете на кафедре «ИССА».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Трусов Владимир Николаевич
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Носов Николай Васильевич
Официальный рецензент: кандидат технически наук, доцент
Дедов Николай Иванович
Защита состоится 2 июля 2010 г. в 900 часов на заседании ГАК в ГОУВПО
«Самарский государственный технический университет» по адресу: 443010
Самара, ул. Молодогвардейская, 133.
С диссертацией можно ознакомиться на сайте кафедры «ИССА» ГОУВПО
«Самарский государственный технический университет».
Секретарь ГАК
___________________
Карлова М.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В машиностроении процессы обработки металлов, в
частности шлифовальная обработка подшипниковых колец, характеризуются
большим числом технологических факторов, влияющих в различной степени на
точность обработки и формирование остаточных напряжений растяжения и
сжатия.
Процесс шлифования характеризуется относительно большими радиальными
усилиями.
Поэтому
воздействие
силового
поля
на
частицы
материала
поверхностного слоя изделия благоприятно с точки зрения формирования
остаточных напряжений сжатия. Этому же способствует геометрия абразивных
зерен,
имеющих,
как
правило,
отрицательный
передний
угол.
Однако,
одновременно с возникновением благоприятного напряженного состояния от
силового
поля
деформации,
в
процессе
которые
шлифования
сопровождаются
развиваются
термопластические
возникновением
растягивающих
остаточных напряжений. Таким образом, в зоне шлифования всегда имеют место
два
конкурирующих
процесса,
оказывающих
на
процесс
формирования
остаточных напряжений противоположное влияние. В зависимости от того, какой
из указанных процессов преобладает, результирующие остаточные деформации, а,
следовательно, и напряжения могут быть обоих знаков. При применяемых на
практике режимах шлифования температура на отдельных абразивных зернах
повышается на столько, что термопластическая деформация оказываются больше
деформации от сил резания. Поэтому в верхних слоях, как правило, формируются
растягивающие остаточные напряжения.
Цель работы.
Целью
работы
является
исследование
влияния
теплового
фактора
на
формирование остаточных напряжений при шлифовании стали ШХ15 HRC
62…65.
3
Решаемые задачи
1.
Смоделировать процесс шлифования абразивным кругом.
2.
Исследовать влияние температурного фактора на формирование
тангенциальных остаточных напряжений.
Исследовать влияние глубины шлифования на формирование остаточных
3.
напряжений
Сравнить результаты теоретических расчётов с экспериментальными
4.
данными.
Методы исследования
Для решения поставленных в работе задач использовались: методы
компьютерного
исследования
конечно-элементных
моделей
контактного
взаимодействия в среде ANSYS с учетом технологии обработки.
Теоретические
лабораторных
и
исследования
производственных
подтверждены
условиях.
экспериментами
Сравнение
в
максимальных
остаточных напряжений полученных опытным путём со значениями полученными
в результате моделирования процесса шлифования в программном комплексе
ANSYS.
Научная новизна
1.
В разработке физической модели процесса шлифования на основе
применения программного пакета ANSYS 10.0.
2.
В исследовании процесса формирования остаточных напряжений
растяжения и сжатия в результате воздействия теплового фактора при
шлифовании стали ШХ15.
3.
4
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении Обоснована актуальность темы диссертации, показаны её
научная ценность, сформулированы задачи, которые выносятся на защиту.
В первой главе рассмотрен вопрос формирования остаточных напряжений,
влияние остаточных напряжений на прочность при статическом, динамическом и
циклических
нагружениях,
влияние
остаточных
макронапряжений
на
износостойкость, сопротивление коррозии и точность деталей в условиях
эксплуатации.
Появление остаточных напряжении связано с условиями изготовления
деталей, поэтому технологические процессы изготовления деталей должны
проектироваться так чтобы возникающие в поверхностных слоях остаточные
напряжения гарантировали надежность работы деталей в заданных условиях
эксплуатации.
Остаточные макронапряжения в детали могут возникнуть как при ее
изготовлении (первичные), так и в процессе эксплуатации (вторичные
макронапряжения). В зависимости от условий эксплуатации деталей (величины
нагрузки, температуры нагрева и среды) первичные остаточные макронапряжения
релаксируются и перераспределяются. Термодинамическая неустойчивость
макронапряжений затрудняет установление зависимостей эксплуатационных
свойств от величины, знака и характера распределения макронапряжений в детали.
Изучение и анализ имеющихся теоретических и экспериментальных работ
показывают, что влияние остаточных напряжений на характеристики прочности
металлов и их сплавов при статическом, динамическом и циклическом
нагружениях в зависимости от напряженного состояния и условий работы детали
может быть существенным и несущественным. Изучая влияние остаточных
напряжений на характеристики прочности металлов при том или ином виде
нагружения, необходимо различать влияние остаточных напряжений на
5
сопротивление упругой и пластической деформациям и влияние остаточных
напряжений на сопротивление разрушению.
Во второй главе Представлены механические и химические свойства стали
ШХ15, сущность процесса шлифования, смоделирована геометрическая модель
процесса резания, произведено исследование напряженно-деформированного
состояния зоны резания при помощи программы ANSYS, проведен анализ
результатов решения.
На рисунке 1 представлена схема процесса внутреннего шлифования.
Рис. 1. Cхема процесса внутреннего шлифования.
На рисунке 2 представлена модель процесса шлифования.
6
Рис. 2. Модель процесса шлифования.
Для каждого из экспериментов расчет будет выполняться в 2 этапа.
На первом этапе будет подаваться нагрузка, производиться расчет. Затем
задача переводится из тепловой в структурную. Поле температур, полученное на
первом этапе, прикладывается к модели на 2 этапе. Производится расчет, затем
нагрузка снимается, расчет повторяется.
Для глубины резания t=0.02 результаты решения для показали, что
максимальные эквивалентные напряжения σmax=301.983 МПа.
На втором шаге решения нагрузка удаляется, чтобы просмотреть
остаточные напряжения. Максимальные остаточные напряжения составляют
σmax_ост =213.42 МПа (рис.3).
7
Рис. 2. Напряжения в модели.
Рис. 3. Эпюра остаточных напряжений.
8
Для глубины резания t=0.05 результаты решения для показали, что
максимальные эквивалентные напряжения σmax=312.016 МПа.
На втором шаге решения нагрузка удаляется, чтобы просмотреть
остаточные напряжения. Максимальные остаточные напряжения составляют
σmax_ост =225.32 МПа (рис.5).
Рис. 4. Напряжения в модели.
9
Рис. 5. Эпюра остаточных напряжений.
Для глубины резания t=0.1 результаты решения для показали, что
максимальные эквивалентные напряжения σ max=318.433МПа.
На втором шаге решения нагрузка удаляется, чтобы просмотреть
остаточные напряжения. Максимальные остаточные напряжения составляют
σmax_ост =237.68 МПа (рис.7).
10
Рис. 6. Напряжения в модели.
11
Рис. 7. Эпюра остаточных напряжений.
Для глубины резания t=0.2 результаты решения для показали, что
максимальные эквивалентные напряжения σ max=322,207МПа.
На втором шаге решения нагрузка удаляется, чтобы просмотреть
остаточные напряжения. Максимальные остаточные напряжения составляют
σmax_ост =240,7 МПа (рис.9).
Рис. 8. Напряжения в модели.
12
Рис. 9. Эпюра остаточных напряжений.
Далее проведён анализ результатов решения задачи по определению
суммарных остаточных напряжений.
Построим график максимальных значений суммарных остаточных
напряжений к поперечной подаче (рис.10).
13
245
240
σ smax, МПа
235
230
225
220
215
210
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Глубина резания t, мм
Рис.10. График максимальных значений суммарных остаточных напряжений
в зависимости от поперечной подачи.
В четвертой главе представлены экспериментальные исследования
остаточных напряжений, методика проведения эксперимента, порядок проведения
эксперимента и обработки данных.
В работе приведены исследования Носова Н.В. остаточных напряжений
при обработке внутренней поверхности колец стали ШХ15 НRС 62...65. Образцы
шлифовались абразивным кругом 24А 40Н СМ2 6 К5 . Обработка производилась с
режимами: Vк=28 м/с, V1=40м/мин, глубина резания варьировалась: t=0,2; 0,1; 0,05
; 0.02 мм, охлаждение - эмульсия № 5.
Остаточные напряжения на образцах
измерялись но методике, в основу которой положен метод Н.Н. Давиденкова.
14
Практические данные
250
Практические данные
200
σ smax, МПа
150
100
50
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
-50
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 11. Распределение остаточных напряжений по глубине при внутреннем
шлифовании заготовок из стали ШХ15 .
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать
следующие выводы: остаточных напряжений при шлифовании кругами из 24А
показали, что с увеличением глубины резания t, величина остаточных напряжений,
возникающих вследствие теплового фактора при шлифовании, уменьшается.
Построим на одном графике максимальные значения остаточных
напряжений полученные с помощью программного комплекса ANSYS и опытным
путём при внутреннем шлифовании заготовок из стали ШХ15 НRС 62...65 кругами
из 24А 40H СМ2 6 К5
15
250
Теоретические данные
Практические данные
200
σ smax, МПа
150
100
50
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
-50
Расстояние от поверхности, мм
Рис.12. Графики зависимости остаточных напряжений от поперечной подачи.
Общие выводы по работе
1.
Разработана
компьютерная
модель
процесса
теплообразования
и
формирования остаточных напряжений при шлифовании.
2.
На основе предложенной модели определены остаточные напряжения,
возникшие в обрабатываемом материале под действием теплового фактора.
3.
Сравнение остаточных напряжений, полученных опытным путём со
значениями,
полученными
в
результате
моделирования
процесса
шлифования в программном комплексе ANSYS показало, что разработанная
модель
образования
тангенциальных
высокую степень достоверности.
остаточных
напряжений
имеет
.
16
4.
Сравнение остаточных напряжений, полученных в программном комплексе
ANSYS, для различных значений глубины шлифования t, показало, что с
уменьшением глубины шлифования с 0,2 мм до 0,02 мм наблюдается
уменьшение температуры в зоне контакта круга с деталью с 701 С° до 465
С°, и уменьшение величины остаточных растягивающих тангенциальных
напряжений на 10%.Согласно результатам исследования, изменение знака
остаточных напряжений (растягивающие остаточные напряжения переходят
в напряжения сжатия) происходит на глубине примерно в 15 микрон и не
зависит от глубины резания
17