Исследование распределения остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндрическом образце с технологическим концентратором напряжений

全文:

Обоснование. Уменьшению прочностного ресурса валов редукторов, подвергающихся воздействию эксплуатационных растягивающих нагрузок, способствуют полученные на стадии изготовления технологические концентраторы напряжений (канавки, выточки, пазы). Снижение чувствительности материалов таких деталей к вышеперечисленным конструктивным элементам возможно при использовании метода опережающего поверхностного пластического деформирования (ОППД), заключающегося в особом способе наведения сжимающих остаточных напряжений (ОН) в зоне технологического концентратора, компенсирующих эксплуатационные растягивающие напряжения [1, 2].

Цель ― исследовать эффективность наведения методом ОППД сжимающих ОН на примере гидродробеструйной обработки (ГДО) сплошного цилиндрического образца из стали 45 радиусом R₁ = 30 мм и длиной l₁ = 122 мм с концентратором напряжений в виде канавки для выхода шлифовального круга, имитирующего нагруженную изгибающим моментом M = 472,4 Н∙м поверхностно упрочненную часть ступенчатого вала редуктора (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема поверхностно упрочненного цилиндрического образца с канавкой, представляющего часть ступенчатого вала

Методы. Ввиду значительной трудоемкости поставленной задачи для ее реализации было использовано цифровое моделирование процесса упрочнения в среде ANSYS. Такой подход предполагает решение задачи фиктивной термоупругости на основе феноменологической модели упрочнения гладкого цилиндрического образца (до образования на образце технологического концентратора напряжений), подробно изложенное в работе [2], с последующим использованием технологии ОППД (формирование канавки) на построенной конечно-элементной модели поверхностно упрочненного цилиндрического образца.

Результаты. Сопоставление всех полученных результатов численных расчетов на примере поверхностно упрочненного методом ГДО цилиндрического образца из стали 45 приведено ниже на рис. 2. Кривая 1 соответствует расчетным (сплошная линия) и экспериментальным (маркеры) данным для гладкого поверхностно упрочненного образца радиусом R₀ = 5 мм без нагрузки, приведенных в работе [2]. Аналогичные результаты для образца радиусом R₁ = 30 мм без нагрузки показаны в виде кривой 2, с учетом нагружения ― кривой 3. Кривыми 4−6 показаны расчетные данные для случая образца радиусом R₁ = 30 мм при наличии концентратора напряжений (канавки) в сечении скругления радиусом R1,6. При этом кривыми 4 и 5 представлены расчетные случаи упрочненного образца без нагрузки и с нагружением соответственно. Расчетный случай неупрочненного образца под действием изгибающего момента показан кривой 6.

Рис. 2. Распределение ОН σz = σz(h) по высоте h в зависимости от рассматриваемого расчетного случая образца

Из графиков видно, что расчетные результаты ОН в моделях ненагруженных упрочненных образцов хорошо согласуются с данными эксперимента за пределами толщины упрочненного слоя. Для случаев нагруженных моделей результаты имеют асимптотическое сближение. При сравнении случаев нагруженных упрочненного и неупрочненного образцов с канавкой эффективность применения ГДО составляет 32 %.

Выводы. Анализ распределения ОН по компоненте σz = σz(h) для всех рассматриваемых моделей упрочненных образов демонстрирует хорошее сближение с данными эксперимента, что говорит об адекватности численного подхода. Наличие технологического концентратора напряжений оказывает серьезное влияние на напряженное состояние в приповерхностном упрочненном слое. Тем не менее эффективность применения упрочнения нагруженного цилиндрического образца по сравнению с неупрочненной структурой в пределах 250 мкм от наружной поверхности достигает 32 %.

作者简介

编辑信件的主要联系方式.
Email: romandxdy@gmail.com

филиал Самарского государственного технического университета, Сызрань, студент, группа МЗ-21(с), кафедра «Технология машиностроения»

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Рис. 1. Расчетная схема поверхностно упрочненного цилиндрического образца с канавкой, представляющего часть ступенчатого вала

下载 (141KB)

索引源数据

3. Рис. 2. Распределение ОН σz = σz(h) по высоте h в зависимости от рассматриваемого расчетного случая образца

下载 (99KB)

索引源数据