ЭТАПЫ  ТЕРМОСИЛОВОЙ  ОБРАБОТКИ  МАЛОЖЕСТКИХ  ДЛИННОМЕРНЫХ  ДЕТАЛЕЙ

Семенов  Кирилл  Олегович

магистрант  кафедры  «Оборудование  и  технологии  машиностроительного  производства»,  Тольяттинский  государственный  университет,  РФ,  г.  Тольятти

E -mail:  semen-tgu@yandex.ru

Расторгуев  Дмитрий  Александрович

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  «Оборудование  и  технологии  машиностроительного  производства»,  Тольяттинский  государственный  университет,  РФ,  г.  Тольятти

E-mail: 

STAGES  OF  THERMOPOWER  PROCESSING  OF  LOW-RIGID

LENGTHY  DETAILS

Semenov  Kirill

undergraduate  of  the  Department  “Equipment  and  technology  of  machine-building  production”,  Togliatti  State  University,  Russia,  Togliatti

Rastorguev  Dmitry

candidate  of  technical  Sciences,  associate  Professor  of  the  Department  “Equipment  and  technology  of  machine-building  production”,  Togliatti  State  University,  Russia,  Togliatti

АННОТАЦИЯ

Стабилизация  геометрии  маложестких  деталей  является  одной  из  актуальных  задач  современного  машиностроения,  в  связи  с  ужесточением  точностных  требований  к  ним  при  постоянном  снижении  материалоемкости  изделий.  Эта  проблема  решается  в  основном  за  счет  управления  остаточными  напряжениями.  Для  снятия  остаточных  напряжений,  их  выравнивания  по  длине  используются  методы  искусственного  старения. 

ABSTRACT

Stabilization  of  geometry  of  low-rigid  details  is  one  of  actual  problems  of  modern  mechanical  engineering,  in  connection  with  toughening  of  precision  requirements  to  them  at  continuous  drop  of  a  material  capacity  of  products.  This  problem  is  solved  generally  due  to  steering  of  residual  tension.  For  removal  of  residual  tension,  their  alignments  on  length  are  used  methods  of  artificial  aging.

Ключевые  слова:  термосиловая  обработка;  остаточные  напряжения.

Keywords:  thermopower  processing;  residual  tension.

Процесс  ТСО  разделяется  на  три  этапа  —  нагрузка-нагрев,  выстой  и  разгрузка-охлаждение.  Каждый  этап  требует  своей  модели  управления.  В  первой  модели  управление  осуществляется  по  температуре  ,  а  через  нее  напряжением  ,  контролируется  при  этом  выходная  величи­на  —  .  Во  второй:  деформация  поддерживается  постоянной  e=const  при  постоянной  температуре.  Выход  —  напряжение  .  В  третьей  модели  напряжение    уменьшается  в  функции  изменения  температуры    остывания.

Для  описания  процесса  ТСО,  заготовки  в  термоупругопластическом  состоянии  необходима  ста­тическая  характеристика  объекта  управления.  Она  представлена  (рис.  1)  в  координатах  «сила-перемещение»  для  сталей  40  и  12X18H10T,  из  которых  следует,  что  объект  ведет  себя  и  как  упруго-вязкая,  и  как  упруго-вязкоупрочняющая  среда  при  превышении  предела  текучести  [1;  2].

В  фазе  нагрева  —  нагружения  к  заготовке  прикладывается  напряжение  ,  которое  создается  за  счет  разницы  тепловых  удлинений  стапеля    и  заготовки,    или  в  относительных  деформациях  с  учетом  коэффициентов  теплового  расширения  .

С  учетом  жесткости  стапеля  (его  цилиндрической  части,  и  большей  частью,  контактной  жесткости  в  стыках  захватов  и  опорных  элементов  стапеля)  данная  разница  удлинений  приводит  к  возникновению  силы  ,  где  суммарный  коэффициент  контактной  жесткости  стыков  элементов,  фиксирующих  заготовку  в  стапеле,  и  жесткости  опор  стапеля;    длина  деформируемой  части  заготовки.  Если  процесс  упруго-пластической  деформации  начать  ра­но,  когда  еще  не  достигнуто  желаемое  распределение  температуры,  то  ухудшается  процесс  пластической  деформации  (большая  неравномерность  по  длине)  и  время  обработки  увеличивается.

Для  обеспечения  запаздывания  начала  процесса  деформирования  при  увеличении  температуры  при  закреплении  заготовки  предусматриваются  зазоры,  которые  выбираются  с  ростом  температуры  за  счет  разницы  тепловых  деформаций  стапеля  и  заготовки.  Поэтому:

    (1)

где  начальный  зазор.  С  учетом  диаметра  заготовки    в  ней  возникают  напряжения    от  нагрузки 

Процесс  термодеформации  на  этапе  осевого  деформирования,  после  выхода  на  заданный  температурный  режим,  описывается  уравнениями:

  (2)

где:  Е₁  и  Е₂  —  модули  упрочнения  и  упругости,  МПа; 

b   —  коэффициент  вязкости,  МПа×с; 

e_1S  —  суммарная  деформация; 

s_1S  —  суммарные  напряжения,  МПа; 

s_p  —  напряжения  растяжения  от  разницы  удлинений  стапеля  и  заготовки,  МПа.  Параметры  модели  —  модуль  упругости,  предел  текучести  являются  функцией  температуры  (рис.  2). 

Зависимость  модуля  упругости  от  температуры  (формула  Белла):

,  (3)

где:  температура  плавления; 

значения  модуля  при  нулевом  напряжении,  определяется  из  экспериментов  по  формуле:

,  (4)

где  модуль  упругости  при  температуре  .

При  моделировании  методами  теории  автоматического  управления  данные  уравнения  переводятся  в  операторную  форму.  Передаточные  функции  объекта  управления  для  одной  ветви  примут  вид:

    (5)

где:  постоянные  времени,  первый  коэффициент  последействия,  с; 

  —  коэффициенты  усиления;  коэффициент  Пуассона.  Входом  модели  является  осевое  напряжение  и  температура,  а  выходами  продольная  и  поперечная  относительные  деформации  e₁  и  e₂.

Поскольку  процесс  выстоя  может  достигать  1—2  ч.,  например  при  высоком  отпуске,  необходимо  при  разработке  модели  учитывать  релаксационные  процессы.  Прогрев  заготовки  приводит  к  выравниванию  температурного  поля,  но  геометрия  заготовки  уже  сформирована  на  первом  этапе.  Вход  на  объект  управления  —  суммарная  деформация  .  Переходный  процесс    происходит  за  счет  роста  пластической  деформации  при  уменьшении  упругой,  что  приводит  к  равновесному  состоянию  . 

Уравнение  (2),  выраженное  относительно  напряжения:

  (6)

На  фазе  выстоя  температура  постоянна  и  температурные  напряжения  равны  нулю.  Процесс  релаксации,  который  протекает  на  данном  этапе,  описывается  формулой:

,  (7)

где:  модуль  упругости  при  рабочей  температуре; 

конечная  суммарная  деформация  первого  этапа; 

  ядро  уравнения  Вольтерры  2-го  рода.  Для  его  представления  использовалось  ядро  Ржаницина  в  виде:

  (8)

Коэффициент  ,  показатели  степени  ,    были  получены  по  результатам  релаксационных  испытаний.  Передаточные  функции: 

  (9)

Этап  выстоя  в  совокупности  с  первым  этапом  нагрева-нагружения  ТСО  позволяет  устранить  технологиче­скую  наследственность  от  предыдущих  операций,  стабилизирова­ть  уровень  остаточных  напряжений  в  сечении  и  по  длине  изделия,  создавая  при  этом  остаточные  напряжения  одного  знака,  од­новременно  провести  правку  длинномерных  заготовок,  если  в  процессе  предыдущих  операций  изделие  покоробилось.

На  третьем  этапе  ТСО  разгрузке,  могут  появиться  новые  остаточные  напряжения  за  счет  несовместимости  упругих  и  пла­стических  деформаций.  Пределы  текучести  с  понижением  температуры  резко  возрастают,  особенно  в  интервалах  .  На  структурной  схеме  (рис.  3,  а)  для  третьего  этапа  меняется  знак  в  блоке,  выделенном  пунктирной  линией.  Это  связано  с  тем,  что  скорость  остывания  стапеля  меньше,  чем  скорость  остывания  вала.

Коробление  обусловлено  неоднородностью  температурного  поля,  пластической  деформации.  Это  приводит  к  несовместности  пластической  и  упругой  деформации  при  разгрузке.  Остаточные  напряжения  релаксируют  не  одновременно  и  неодинаково  в  продольных  и  поперечных  сечениях.

При  охлаждении  растянутого  вала,  закрепленного  в  стапеле,  возни­кают  новые  остаточные  напряжения  —  равномерно  расположенные  по  сечению  заготовки.  Предельный  уровень  остаточных  напряжений  определяется  зависимостью:

  (10)

На  первом  этапе  охлаждения  вала  в  стапеле,  т.  е.  когда  разность  температур  вала  и  стапеля  максимальна,  величина  ма­лых  остаточных  деформаций  вала  (изделия)  представляет  собой  сумму  упругой  ,  пластической    и  температурой  дефор­мации  :

,  (11)

здесь  .

Рассмотренные  модели  позволяют  провести  все  необходимо  термо-деформационные  расчеты  для  маложестких  деталей  с  учетом  температурных  факторов  при  разработке  операций  термосиловой  обработки.

Список  литературы:

1.Драчев  О.И.,  Расторгуев  Д.А.,  Старостина  М.В.  Моделирование  упруго-пластических  деформаций  при  термосиловой  обработке  /  Вектор  науки  Тольяттинского  государственного  университета.  —  2012.  —  №  3.  —  С.  80—85.

2.Драчев  О.И.  Технология  изготовления  маложестких  осесимметричных  деталей.  М.;  Политехника,  2005.  —  289  с.