сотрудник
Старый Оскол, Белгородская область, Россия
аспирант
Россия
сотрудник
Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
В горных и металлургических машинах часто используются тяжелонагруженные резьбовые соединения. Эффективным способом повышения усталостной прочности резьб является обработка их пластическим деформированием, однако традиционное накатывание со статическим нагружением деформирующего инструмента часто не обеспечивает требуемых для тяжелонагруженных резьб степени и глубины упрочнения. Предложен способ статико-импульсной обработки (СИО) для увеличения износостойкости тяжелонагруженных резьбовых соединений. Обоснована важность выбора рациональной схемы деформирования винтовой канавки при статико-импульсной обработке. Рассмотрены возможные схемы деформирования тяжелонагруженных резьб динамическим (ударным) воздействием инструмента, в том числе крупногабаритных. Выбор наиболее рациональной схемы деформирования способствует обеспечению необходимой глубины упрочнения и требуемой степени упрочнения в процессе статико-импульсной обработки резьб. Приведена классификация схем деформирования в осевом и радиальном сечениях заготовки. Описаны полнопрофильная, послойная, угловая, возвратная, сплошная и выборочная схемы деформирования. Даны рекомендации по выбору рациональной схемы деформирования. Приведены результаты, полученные при моделировании статико-импульсной обработки резьб, полей эквивалентных деформаций и распределения критерия разрушения Кокрофта-Лейтема. Анализ результатов моделирования показал, что при обработке резьб область экономической целесообразности применения статико-импульсной обработки шире, чем накатывания статическим нагружением инструмента.
резьба, упрочнение, статико-импульсная обработка, накатывание, моделирование, метод конечных элементов, горно-металлургические машины, качество
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. Киричек А.В., Баринов С.В., Соловьев Д.Л. Разработка параметров для описания гетерогенно-упрочненной структуры // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 1/285. С. 63-66.
2. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога // М.: Машиностроение. 2004. 288 с.
3. Лапин В.В., Писаревский М.И., Самсонов В.В., Сизов Ю.И. Накатывание резьб, червяков, шлицев и зубьев. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение. 1986. 228 с.
4. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение. 1987. 328 с.
5. Песин М.В. Повышение надежности резьбовых соединений нефтегазовых изделий // Технология машиностроения. 2011. № 9. С. 49-50.
6. Киричек А.В., Афонин А.Н. Исследование напряженно деформированного состояния резьбонакатного инструмента и заготовки методом конечных элементов // СТИН. 2007. №7. С. 21-25.
7. Киричек А.В., Афонин А.Н. Резьбонакатывание. Библиотека технолога. М.: Машиностроение. 2009. 312 с.
8. Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Создание гетерогенной структуры материала статико-импульсной обработкой // СТИН. 2007. №12. С. 28-31.
9. Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Панфилов Ю.В. Инженерия поверхности деталей. М.: Машиностроение. 2008. 320 с.
10. Таурит Г.Э., Пуховский Е.С., Добрянский С.С. Прогрессивные процессы резьбоформирования. Киев: Технiка. 1975. 240 c.
11. Суслов А.Г. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение. 2014. 444 с.
12. Афонин А.Н., Ларин А.И., Макаров А.В. Гетерогенное упрочнение деталей горно-металлургических машин поверхностным пластическим деформированием // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 11. С. 823-827.
13. Киричек А.В. Эффективные технологии дорнования, протягивания и деформирующе-режущей обработки: коллективная монография. М.: Издательский дом «Спектр». 2011. 328 с.
