Моделирование деформационного упрочнения при накатывании сферической заготовки методом конечных элементов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 774. 01. 8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИ НАКАТЫВАНИИ СФЕРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ю. А. Цеханов, С. Е. Шейкин, Д. В. Карих, Д.А. Сергач
В статье рассматриваются результаты моделирования методом конечных элементов в программном комплексе Deform-3D холодного поверхностного пластического деформирования при накатывании инструментальными плоскостями сферических заготовок из чистого титана. Отмечены проблемы экспериментального и компьютерного анализа напряженно-деформированного состояния заготовки. Выявлены зависимости степени упрочнения поверхности заготовки от количества циклов обработки и усилия сжатия
Ключевые слова: моделирование, накатывание, упрочнение поверхности, сферическая заготовка
Имеется большое количество исследований, посвященных разработке методов поверхностной упрочняющей обработки сопрягаемых трущихся деталей [1,2]. Также предложен метод холодного поверхностного пластического деформирования сферических заготовок накатыванием плоскими поверхностями [3].
3. 1-
t УУ/У//////// V////////A
1 f!

N \\\\\^\\\\V
d
Рис. 1. Схема обработки полной сферы накатыванием
Предварительно обточенную сферическую заготовку 1 (рис. 1) размещали в цилиндрической камере 2. Далее производили обработку плоским вращающимся инструментом 3 со скоростью вращения 750 об/мин. При этом усредненная линейная скорость перемещения заготовки в штампе была около 3 м/с. Усилие прижима составило 2000К
Такая технология является перспективной для получения сферических головок эндопротезов тазобедренного сустава человека из биоэнертного чистого титана. Металлографический анализ и измерения микротвердости показали перспективность создания упрочненной поверхности головок с мелкодисперсной структурой слоя, благоприятной для последующего насыщения азотом. Такая модификация поверхности способствует увеличению ее износостойкости [4,5]. Однако предложенный в [3] способ, являясь мало изученным, имеет ряд технологических параметров, влияющих как на форму получаемой заготовки, так и на равномерность упрочнения поверхности (таких как эксцентриситет между камерой и вращающимся инструментом, коэффициент трения качения, усилие прижима и скорость инструмента и др.). Их неудачная
Цеханов Юрий Александрович — Воронежский ГАСУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: tsekhanov@yandex. ru Шейкин Сергей Евгеньевич — ИСМ НАН Украины, д-р техн. наук, профессор, e-mail: sheykin2003@ukr. net Карих Дмитрий Владимирович — Воронежский ГАСУ аспирант, e-mail: karih_dm@mail. ru Сергач Дмитрий Анатольевич — ИСМ НАН Украины, аспирант, e-mail: sergach_89@mail. ru
комбинация может вызывать появление браковочных признаков, например, формирование конической формы заготовки. Также важен такой параметр как время обработки, т.к. при длительной обработке может появиться перенаклеп поверхности с характерным ее растрескиванием.
Получить распределение накопленной деформации в1 и степени упрочнения в поверхностном слое заготовки можно как экспериментально, так и теоретическими расчетами. Однако экспериментально проследить за изменением состояния поверхностного слоя на протяжении всего процесса накатывания, а также изучить влияние технологических параметров на параметры качества поверхностного слоя (глубину, степень упрочнения поверхностного слоя и пр.) для разных диаметров заготовок весьма трудоемко. Проще сделать это моделированием процесса методом конечных элементов используя экспериментально установленные физические свойства обрабатываемого материала. Поэтому одним из важных этапов в подготовке моделирования служит сбор данных о физических свойствах изучаемого материала. В данном случае использовался технически чистый титан ВТ1 -0 в отожженном состоянии. Диаметр накатываемой сферы -28 мм. В связи с тем, что процесс обработки происходит с нагревом заготовки, в расчетах использовались имеющиеся в справочниках кривые упрочнения для интервала температур от 20 °C до 300 °C.
Рис. 2. След пластической деформации заготовки спустя 1 с от начала обработки
Для получения первоначального представления об обработке поверхности сферы пластическим деформированием был смоделирован реальный процесс накатывания с грубой сеткой конечных элементов. Такое упрощение позволяет снизить затраты временных ресурсов и получить достаточную для последующего анализа картину деформаций и напряжений в зоне контакта заготовки с инструментом.
Рис. 3. Распределение накопленной деформации ei в поверхностном слое заготовки: а) — поперечный разрез, б) — продольный разрез
На рис. 2 в форме изолиний показано распределение накопленной деформации е/ на поверхности шара спустя 1 с после начала обработки. Оно показывает след пластического контакта. Из принципа относительности движения следует, что формы следов пластического контакта, оставляемых шаром на неподвижной нижней и на вращающейся верхней инструментальных плоскостях, одинаковы. На рис. 3, а показано распределение накопленных деформаций за один цикл обработки в поперечном разрезе пластической области на выходе из контакта, а на рис. 3, б — в продольном разрезе.
Для равномерного распределения деформационного упрочнения по поверхности заготовки необходимо постоянное смещение по ней следа пластической деформации. Мерой такого смещения может служить угол между начальной плоскостью вращения контактного следа и на поверхности шара и плоскостью такого вращения в рассматриваемый момент времени.
Одним из этапов анализа деформированного состояния заготовки был процесс моделирования однократного накатывания части поверхности сферы без смещения следа пластических деформаций с различными усилиями прижима инструмента. В ходе моделирования усилие прижима варьировалось от 2кН до 4кН- результаты представлены на рис. 4.
Как видно, вблизи поверхности накопленные деформации при различных усилиях практически пропорциональны соответствующему усилию прижима Р
-2
(рис. 5): еI = РР, Р~ 5.3 -10 кН. На основании этого предполагается технологическая инженерная формула для расчета максимальной накопленной деформации на поверхности заготовки при N циклах деформирования:
м
Ъц = ЕР^-р, У =1
где Nу — число циклов деформирования с силой прижима РУ.
Следует отметить, что с увеличением усилия распределение деформаций по глубине становится менее
равномерным. На глубине поверхностного слоя более 1,8 мм деформации мало зависят от усилия прижима, а на глубине до 0,8 мм наблюдаются значительные различия, как в степени деформирования, так и в характере ее распределении.
0,25
Рис. 4. Сравнение распределения накопленной деформации е, по глубине к при различных усилиях прижима
0,25
0,10
0,00
? тах 1 4& gt-
У



0 1 2 3 РкН4
Рис. 5. Максимальные накопленные деформации е& quot- различных усилиях прижима
при
Одной из важных особенностей обработки предложенным методом является образование наплыва материала заготовки на передней и на боковых границах контактной поверхности. Это обусловлено как локальным характером сдавливания сферической поверхности, вызывающим в сочетании с действием сил трения перераспределение материала, так и динамическими эффектами при высокой скорости движения заготовки.
Из графика распределения накопленных деформаций по поверхности сферы (рис. 6) можно выделить области на границе зоны контакта с инструментом, где имеют место повышенные значения накопленных деформаций. В этих местах и идет образование наплыва.
Стоит отметить, что такой процесс, как образование наплыва является одним из основных источников
деформационного упрочнения поверхности и, как следствие, создания мелкодисперсной структуры поверхности. Такое изменение в структуре благоприятно для последующего насыщения поверхности азотом, т.к. оно увеличивает глубину и качество диффузионного слоя.
Еще одним немаловажным фактором в предложенном методе обработки является траектория движения заготовки по отношению к инструменту, т.к. упрочнение поверхности должно быть равномерно для обеспечения требуемых трибологических свойств и износостойкости получаемого шарнира. Для этого, как указывалось выше, след контакта должен равномерно покрывать сферическую поверхность.
грамотного проведения технологической операции накатывания.
Рис. 6. Распределение накопленных деформаций et по ширине пластической области Гпл (правая половина) на различных глубинах поверхностного слоя
Так как проследить траекторию контакта, как отдельный параметр, в Deform очень сложно, то было принято решение отслеживать ее через распределение температуры нагрева, как на поверхности сферы, так и на инструментальных плоскостях.
Полученные картины нагрева, как нижней неподвижной плоскости камеры, так и верхней вращающейся инструментальной плоскости оказались идентичными — это окружность начального радиуса (зависит от начального расположения сферы в камере) переходящая в спираль. На рис. 7 показано распределение температур по ширине кольцевого температурного следа. Анализ этого графика показывает, что такая закономерность распределения температур обусловлена постоянным радиальным смещением поверхностного источника тепла (пластического следа) от центра к периферии. Поэтому контактный след представляет собой расходящуюся спираль до момента касания боковой кромки. Далее заготовка движется по окружности вдоль цилиндрической стенки неподвижной камеры.
Следует иметь в виду, что при сильном нагреве материала заготовки в контактной зоне может начаться процесс рекристаллизации, который снизит достигнутый положительный эффект деформационного упрочнения и дробления зерен. Поскольку титан обладает низкой теплопроводностью, это явление нужно учитывать для
Рис. 7. Распределение температур по ширине кольцевого температурного следа
Рис. 8. Распределение температуры по ширине контакта заготовки с инструментом Гк
По результатам компьютерного моделирования установлено, что заготовка при контакте с инструментом без должного отвода тепла достаточно быстро и сильно нагревается (рис. 8). Так в зоне контакта уже через одну секунду после начала обработки температура поверхности достигает 82оС, а температура следа пластической деформации за зоной контакта — порядка 52−55оС, и с каждым циклом обработки идет постепенный разогрев.
Возможность более точного расчета накопленных деформаций с поправкой на разогрев заготовки позволит точнее оценивать и твердость поверхности по всей глубине упрочненного слоя.
Для подтверждения расчетов с учетом температуры в зоне деформаций был выбран процесс накатывания сферической заготовки диаметром 28 мм из сплава ВТ1−0. Усилие прижима составило 3000Н, а скорость вращения инструмента — 351об/мин. Обработка производилась без использования охлаждающей жидкости. Время обработки составило 34с.
Методика, позволяющая оценивать накопленные деформации с учетом среднестатистических закономерностей за весь цикл обработки, основывается на предположении, что, с каждым циклом обработки точки поверхности она упрочняется на равную величину. Кроме этого предполагается, что каждая точка поверхности обрабатывается одинаковое количество раз. Отсюда получается формула:
^ ei
— m ¦ Ae-
icp'-
где X ег- - величина накопленных деформаций в конце обработки, Ае
юр
величина среднестатистической
деформации за один цикл обработки, m — количество циклов обработки.
Пересчитав значения накопленных деформаций по глубине слоя в центральной части контактной области после однократной обработки с учетом количества циклов обработки, получим итоговые значения для выбранных технологических параметров процесса, а затем произведем перерасчет на значения микротвердости согласно торировочному графику для сплава ВТ1−0, который был получен экспериментально.
Эксперименталная твердость Теоретическая твердость
-0,3
0,2
0,7
1,2
Глубина слоя, мм
Рис. 9. Распределение твердости по глубине упрочненного поверхностного слоя
На рис. 9 для сравнения приведены расчетные значения твердости и полученные после экспериментального накатывания. На поверхности эти значения заметно разнятся. Такой эффект возникает за счет динамических нагрузок, появляющихся при
искривлении формы сферы сдавливанием и возникновением на ее поверхности наплыва, а так же возможностью проскальзывания заготовки относительно инструмента. Циклическое образование наплыва и последующее сдавливание неровностей поверхности, им вызванных, в ходе обработки увеличивает значение итоговых деформаций в самом тонком поверхностном слое. Начиная с глубины 0,2 мм, значения микротвердости имеют незначительные различия.
Полученные результаты позволяют использовать с достаточной для инженерных расчетов точностью предложенные методики для оценки закономерностей поверхностного упрочнения изделия с помощью данной новой технологии.
Литература
1. Zhu, K.Y. Nanostructure formation mechanism of a-titanium using SMAT [Text] / K.Y. Zhu, A. Vassel, F. Brisset et al. // Acta Materialia — 2004. -Volume 52. -Issue 14. -pp. 4101−4110.
2. Shi, M. Microstructure Refinement and Texture Evolution of Titanium by Friction Roll Surface Processing [Text], M. Shi, Y. Takayama, T. Umetsu, Materials Transactions. -2009. -Vol. 50. -№ 1. -pp. 210−214.
3. Пат. 2 407 622 Российская Федерация, МПК6 B24B039/00, Способ обработки сферических изделий поверхностным пластическим деформированием [Текст] / Шейкин С. Е., Цеханов Ю.А.- заявители и патентообладатели Шейкин С. Е., Цеханов Ю. А. -2 009 126 405/02 — заявл. 09. 07. 2009- опубл. 25. 01. 2010, Бюл. № 2. — 1 с.
4. Валиев, Р. З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации [Текст]/ Р. З. Валиев // Российские нанотехнологии. -2006. — Т.1. -№ 1−2. -С. 208−216.
5. Белый, А. В. Структура и триботехнические свойства субмикрокристалического титана, модифицированного ионами азота [Текст] / А. В. Белый, В. А. Кукаренко, А.Г., А. Г. Кононов и др. // Трение и износ. -2008. -Т. 29. — № 6. -С. 571−577.
6. Цеханов, Ю. А. Механика формообразования заготовок при деформирующем протягивании [Текст]: монография / Ю. А. Цеханов, С. Е. Шейкин. — Воронеж: ВГТА, 2001. -200с. — ISBN 978−5-89 040−240−0.
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля, Украина, г. Киев
SIMULATION OF DEFORMATION HARDENING AT ROLLING OF SPHERICAL WORKPIECE WITH FINITE-ELEMENT METHOD
Y.A. Tsehanov, S.E. Sheykin, D.V. Karih, D.A. Sergach
The article considers the results of simulations the cold surface plastic deformation due rolling instrumental planes of the spherical workpieces of pure titanium using the finite element software package Deform-3D. Noted the problems of experimental and computer analysis of the stress-strain state of the workpiece. The dependences of the degree of hardening of the workpiece on the number of cycles and compression force were revealed
Key words: simulation, rolling, hardening of the surface, spherical workpiece

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой