Остаточные напряжения.-1

ский метод расчета остаточных напряжений позволяет с доста­

точной точностью описать их количественно.

			а
£00			Я	1 Я
	-—ш— 1 L - J - I
400			Ф
			1 А Ч	В ■
		к
200			\ а
0	К		\
	а*		1й)крыгне

-го Основа

Рис. 3.13. Распределение тангенциальных остаточных напряжений по сечению основы и покрытия из порошка Fe - 10%V (а) и по­ рошка С-300 (б) в зависимости от температуры нагрева поверхно­ сти основы: 1—1= 150°С; 2 - t = 200 C ; 3 - t = 300°C

Распределение остаточных напряжений, определенных

экспериментально, практически совпало с распределением, по­

лученным теоретическим расчетом. Наблюдается количествен­ ное и качественное совпадение теории и эксперимента.

При проведении экспериментов принятый диапазон температур обеспечивается режимом ЭМН. В частности из­ менением силы разрядного тока. Так, сила разрядного тока, равная 100 А, обеспечивала температуру поверхности основы 150°С, 125 А — 200°С и 160 А — 300°С. При этом магнитная индукция в рабочем зазоре была постоянной и равнялась 0,9 Тл. Остальные технологические факторы ЭМН были приняты оптимальными.

Установлено, что при силе разрядного тока 100... 120 А процесс ЭМН идет устойчиво и обеспечивается наибольшая производительность. Следовательно, указанный диапазон тем­ ператур 150...200°С в системе покрытие-основа наиболее эф­ фективен для ЭМН.

Из данных рис. 3.13 видно, что при температуре поверх­ ности основы 150°С в покрытии из С-300 на глубине, близкой к границе раздела покрытие-основа, остаточные напряжения в 1,27 раза меньше, чем при температуре 200°С, и в 2,15 раза — при температуре 300°С.

Из полученных экспериментальных данных следует, что в процессе ЭМН в покрытии знак напряжений не меняется, величина напряжений возрастает с увеличением температуры. При этом мак­ симум напряжений достигается на границе раздела покрытиеоснова. Обусловлено это тем, что при ЭМН первоначально охлаж­

Численные расчеты показали, что при температуре 300°С в системе покрытие-основа в исследуемых покрытиях появля­ ются значительные эквивалентные остаточные напряжения, ко­ торые для сплошного цилиндра в порядке убывания их величи­ ны можно расположить в следующей последовательности: 697/ПЖРВ2/-»655/Ре-10% У/->583/Р6М5ФЗ/->

55 l/Fe-Ti/->427/C-300/.

Для тех же покрытий при температуре 150°С имеем сле­ дующую последовательность убывания эквивалентных оста­ точных напряжений:

323/TDKPB2/-»302/Fe-10% V/—>266/Р6М5ФЗ/-^ 253/Fe-Ti/-»l 89/С-300/.

Отсюда следует, что по условию минимальных остаточ­ ных напряжений на границе раздела покрытие-основа наиболее благоприятными для эксплуатационных условий будут элек­ тромагнитные покрытия из ферромагнитных порошков С-300 и Fe-Ti, которые имеют наименьшие растягивающие остаточные напряжения в покрытии. Так, растягивающие остаточные на­ пряжения в покрытии из порошка С-300, полученном ЭМН на оптимальном режиме (температура в системе покрытие-основа 150°С), будут в 1,7 раза меньше, чем в покрытии из порошка ПЖРВ2 и в 1,6 раза, чем из порошка Fe-10%V.

4. ФОРМИРОВАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ

ДЕФОРМИРОВАНИИ НАПЛАВЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

4.1. Кинематика контактирующих тел при деформировании наплавленной поверхности

Тепловые воздействия, изменяющие пластичность обраба­ тываемого материала, при поверхностном пластическом дефор­ мировании влияют на развитие очагов деформации в переходных областях. При этом взаимосвязь технологических факторов, фи­ зико-механических и геометрических параметров формируемой поверхности целесообразно определять с учетом элементов са­ моорганизации упругих и пластических процессов, одновремен­ но протекающих в деформируемом теле. К числу таких элемен­ тов относятся уровень контактного трения и кинематика кон­ тактного взаимодействия, оказывающие влияние на формирова­ ние площадки контакта и обеспечивающие самоорганизацию термодеформационных процессов.

Для упрочнения и выглаживания наплавленной поверхно­ сти заготовки детали используется процесс деформации шарико­ вым или роликовым накатниками. Шарик, обладающий всеми степенями свободы вокруг координатных осей, под действием стохастических импульсов от столкновений с макровыступами

упрочняемой поверхности получает, помимо движения подачи,

дополнительное вращение [15].

Рис. 4.1. Системы координат (а), используемые при изучении враще­ ния шарика, и график изменения (б) величины энергии при отклонении оси вращения шарика от вертикали (е - единичные векторы, / - момент инерции шарика в точке О, Е - полная энергия шарика, Mz- проекция кинетического момента на вертикаль,

Мз - проекция кинетического момента на ось вращения)

Рассмотрим эти движения относительно точки контакта О

(рис. 4.1, а) шарика с обрабатываемой поверхностью, являющей­

ся началом координат неподвижной системы с единичными ор­

тами (ех; еу; е,) и связанной с шариком подвижной системы с

ортами (et; е2; е3), направленными по осям инерции с момен­

тами инерции I], h, h шарика в точке О. Для перевода неподвиж­ ной системы координат в подвижную выполняются три поворо­

та: на угол прецессии (р вокруг ez , при этом ех переходит в eN ,

где eN=ezxe3 ; на угол нутации в вокруг оси eN, при этом ez пе­

реходит в е3 ; на угол собственного вращения у вокруг оси е3 ,

при этом eN переходит в е,

Шарик радиусом г и массой m обладает потенциальной Я и кинетической К энергией:

IJ = m g R ,

К = (02+ф 2-sin2<р)-7, /2 + (ф + ф • cos0)2-73/2.

Полная энергия (Е=П+К) была получена путем преобразо­ вания ф и ф через проекции кинетического момента на верти­

каль МZ(M2= д(К - ГГ)/ д(р)

и на ось

вращения

М3(М3= д ( К - П ) / д у ) [15].

После замены cos в = и получены

ф = (Mz - М 3 • w) /(/, • 7 - м)),

ф= Мз / /3- и • ф.

Вэтом случае закон сохранения энергии Е записывался в

виде

7,-й2/2 = (Е-П-и)-(1-и2) - (М 1 - М ъ-и)2/21,

(4.1)

Уравнение (4.1) имеет два вещественных корня и/ и иг при

-1<и<] и один при и>1, так как представляет полином третьей степени и действительному движению отвечают только такие

постоянные М2и Мз, Е и Я (рис. 4.1, б), при которых м2>0. В ре­ зультате этого наклон оси вращения шарика представлен перио­ дически изменяющимся между двумя предельными значениями

в1 и в а движения шарика имеют качественно различный харак­

тер в случаях:м/<м*<М2, и*=иг или и =uj и и>иг, (и=М2/Мз).

В первом случае ф>0 при u=ui и ф<0 при и=иг, следова­ тельно движение точки контакта шарика с обрабатываемой по­ верхностью носит петлеобразный характер (рис. 4.2, а). Во вто­ ром случае при и =иг, ф =0движение чертит пикообразную кри­ вую (рис. 4.2, б). В третьем случае при и>щ, ф>0 и в интервале

ui<u<U2 движение точки контакта шарика описывается сину­ соидой (рис. 4.2, в) [15].

Рис. 4.2. Траектории точки контакта шарика

при деформировании наплавленной поверхности:

а — петлеобразная; б — пикообразная; в — синусоидальная

Так как условия вращения шарика с углами прецессии ср,

нутации в и собственного вращения у/ определяются отношением проекций его кинетического момента на перпендикуляр к обра­ батываемой поверхности и на ось вращения, то можно предпо­ ложить, что внешние стохастические импульсы моментов сил в результате трибоконтактных процессов определяют движение шарика. С увеличением температуры на поверхности детали воз­ растает коэффициент трения, что приводит к снижению скорости вращения шарика и изменению его траектории.

Без дополнительного нагрева степень деформации поверх­ ности невелика и траектория шарика в результате взаимодейст­ вия с точечными очагами сопротивления (вкраплениями), полу­ ченными при ЭМН, имеет петлеобразный характер (рис. 4.2, а).

При нагреве пластичность обрабатываемого металла увели­ чивается и степень деформации возрастает. При этом коэффици­ ент трения скольжения возрастает, что уменьшает длину траек­ тории шарика, делая ее пикообразной (рис. 4.2, б).

Дальнейший нагрев металла приводит к повышению степе­ ни пластичности материала и к более высокой степени его де­ формации. Траектория точки контакта шарика с обрабатываемой поверхностью стремится к минимальной длине и приобретает синусоидальный характер (рис. 4.2, в).