АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ ЗУБЬЕВ БАТАНА ТКАЦКОГО СТАНКА СТБ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены материалы по аналитическому определению одного из основных параметров качества поверхностного слоя деталей машин – глубины деформационного упрочнения (наклепа), влияющей на их износостойкость, которая является важнейшим критерием работоспособности зубьев батана ткацкого станка СТБ. Показано, что закономерности статического вдавливания шара в поверхностный слой металла могут быть использованы и для ударного нагружения, если выполняется равенство диаметра пластических отпечатков. Так, глубина пластически деформированного (наклепанного) слоя при ударном вдавливания индентора практически равна глубине наклепа, полученной при статическом однократном вдавливании сферического индентора. Расчетное значение этого параметра позволит осуществить прогнозную оценку долговечности ответственных деталей рабочих органов технологических машин и выявить эффективность упрочняющих технологий в машиностроении.

ABSTRACT

The article presents analytical materials aimed at determining one of the key quality parameters of the surface layer of machine parts—the depth of deformation hardening (work hardening), which directly affects wear resistance and represents a critical performance criterion for the reed teeth of the STB weaving loom. It has been shown that the regularities of static indentation of a sphere into the surface layer of a metal can also be applied to impact loading, provided that the diameters of the plastic impressions are equal. Thus, the depth of the plastically deformed (work-hardened) layer during impact indentation of the indenter is practically equal to the depth of work hardening obtained under a single static indentation with a spherical indenter. The calculated value of this parameter enables predictive evaluation of the service life of critical components in technological machine units and allows assessing the effectiveness of surface-strengthening technologies used in mechanical engineering.

Ключевые слова: зуб батана, глубина, деформационное упрочнение, износ, пластическое деформирование, сила, шар, удар, скорость.

Keywords: reed tooth, depth, deformation hardening, wear, plastic deformation, force, ball, impact, speed.

Введение. Станки СТБ являются наиболее универсальными и совершенными из бесчелночных ткацких станков и поэтому широко применяются в соответствии ГОСТ 12167-82 во всех основных отраслях текстильной промышленности (шерстяной, шелковой, хлопчатобумажной, льяной) для выработки тканей в одно, два и три полотна и имеют ширину заправки по берду: 180, 220, 250, 330 см. Применение станков СТБ вместо челночных, например, в шерстяной отрасли позволяет повысить производительность оборудования в 1,7…3,5 раза и производительность труда в 2…2,5 раза [1]. Вместе с тем опыт эксплуатации станков СТБ показал недостаточную надежность и долговечность отдельных деталей и узлов, что увеличивает затраты на техническое обслуживание и ремонт, влечет за собой возрастание простоев из-за разладок и снижение качества вырабатываемой ткани.

Как известно, наиболее распространенной неисправностью батанного механизма станка СТБ является износ зубьев батана (направляющей гребенки), приводящий к заметному возрастанию обрывностей нитей основы и снижающий качество суровой ткани из-за пороков. Характерное изнашивание внутренних рабочих поверхностей зубьев батана (рис. 1) происходит в силовом скользящем контакте с нитепрокладчиком.

Рисунок 1. Обработка фасонных поверхностей зуба батана

Учитывая циклическое многократное нагружение зубьев батана при динамическом контакте с нитепрокладчиком и, анализируя поверхности износа, можно утверждать, что имеет место механическое изнашивание. В данном случае можно предположить, что механическое изнашивание реализуется через его  такую разновидность, как усталостное изнашивание.

Специальные виды обработки, повышающие износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость изделий [2- 4], могут повысить запас надежности технологического процесса. Для этих целей применяются технологические процессы, упрочняющие поверхностный слой, который приобретает особые свойства. Сюда относятся, в первую очередь, упрочняющая технология, основанная на пластическом деформировании поверхностей (методы ППД), а также процессы химико-термической обработки и другие специальные методы.

При применении методов ППД в результате наклепа (деформационного упрочнения) в поверхностных слоях происходит трансформация кристаллических зерен, повышается твердость, образуются благоприятные сжимающие остаточные напряжения, способствующие повышению износостойкости и сопротивляемости усталостным разрушениям.

Толщина (глубина) пластически деформированного (наклепанного) поверхностного слоя, полученного при ударном вдавливании шара (рис. 2, а), практически равна глубине наклепа, полученной при статическом однократном вдавливании сферического индентора, если выполняется условие равенства диаметра отпечатков. Поэтому зависимости параметров деформирования от толщины наклепанного слоя для случая статического вдавливания могут быть применены и для ударного нагружения.

Методология аналитического исследования. Глубина наклепа h_н пропорциональна глубине отпечатка h (рис.2, б), т.е. h_н=αh, где коэффициент α=2...20 для различных условий обработки [5]. Глубина наклепка h_н связана с нормальной силой деформирования (контактной нагрузкой) Р известным соотношением С.Г. Хейфица

  мм                                                                  (1)

где Р - нормальная сила вдавливания, Н;

σ_т – предел текучести (физический) обрабатываемого материала Н/мм² (МПа).

Формула, предложенная И.В. Кудрявцевым и Г.Е. Петушковым [6], отличается от (1) введением коэффициента m, косвенно учитывающего размеры контактной площадки:

, мм                                                                  (2)

где m=1+0,07R, R- приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, мм.

а)                                                  б)

Рисунок 2. Схема единичного контакта при дробеударной обработке:

а) упругопластическое взаимодействие микрошарика диаметром D с обрабатываемой поверхностью (d, h – соответственно диаметр и глубина пластического отпечатка); б) формирование упрочненного (наклепанного) слоя толщиной h_н при отскоке ударяющейся дроби

В случае динамического контакта сферического индентора с плоской поверхностью механической преграды (зуба батана) имеем R= R_ш – радиус шарика. Поэтому зависимость (2) принимает вид:

  мм                                                            (3)

Если отсутсвуют данные по пределу текучести σ_т, то можно воспользоваться для конструкционных сталей с погрешностью не более ±10% соотношением σ_т≈НВ/3, где НВ – твердость по Бринелю.

Статическую силу Р (усилие внедрения микрошарика) с достаточным приближением (10..15%) можно определить аналитически. Данное решение для расчета силы вдавливания сферического пуансона (шара) выполнил А.Д.Томленов [7], используя метод характеристик при отсутствии трения по поверхности вдавливания. В соответствии с данным решением статическая сила связана с размером пластического отпечатка формулой

Н                               (4)

где ω=1,1 – коэффициент, учитывающий трение в контакте шар-деталь;

σ_т – предел текучести обрабатываемого материала, МПа;

R – радиус микрошарика, мм;

r- радиус пластического отпечатка, мм.

Радиус пластического отпечатка после однократного соударения можно определить из характеристик упрочняемого материала и режима упрочения [8].

, мм                                                                   (5)

где γ – удельный вес материала микрошарика, г/см³;

υ – скорость полета микрошарика, м/с;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

Н_м.дин – динамическая твердость обрабатываемого материала, кг/мм².

В отличие от статического при ударном вдавливании шара с увеличением числа ударов до 15…20 размер отпечатка для различных условий обработки увеличивается в 1,25…1,55 раз, а затем остается практически постоянным. Поэтому в формулу (5) следует ввести коэффициент k, учитывающий увеличение радиуса отпечатка в результате многократного взаимодействия:

, мм                                                              (5, а)

В формуле (5, а) динамическую твердость Н_м.дин обрабатываемого материала следует выразить через статическую твердость по Бринелю [9]

H_м.дин=H_D=(1,6…1,7) HB                                                                (6)

Результаты и обсуждение. Усилие внедрения микрошарика Р, связанное с размером пластического отпечатка d=2r (рис. 2), можно также определить из допущения, что среднее давление сопротивления внедрению или среднее давление течения (предел текучести σ_т) на поверхности контактирования остается постоянной. Тогда процесс соударения недеформируемого сферического индентора с упрочняемой металлической поверхностью описывается следующим соотношением, вытекающим из уравнения движения шарика в обрабатываемой среде и параметров пластического отпечатка:

,                                                                              (7)

где ρ₀ - давление текучести, предполагаемое постоянным и ρ₀= σ_т; m – масса сферического индентора.

Из рис. 2    следует, что радиус пластического отпечатка r=d/2 связан с радиусом сферического индентора R=D/2 и глубиной отпечатка зависимостью r² = 2Rh- h².

Поэтому при взаимодействии абсолютно жесткой сферы с деформируемым полубесконечным твердым телом выражение (7) принимает вид

,

если пренебречь величиной h² ввиду незначительной глубины внедрения h по отношению к диаметру D, то окончательно получим уравнение движения шарика в обрабатываемой среде

                                                               (8)

или    

                                                            (8, a)

Решение уравнения (8) запишем в виде

, мм                                                (9)

где v₀ – начальная скорость удара, м/с;

t – продолжительность удара (время соударения), с.

Максимальное внедрение (сжатие) микрошарика составит

, мм                                                        (10)

когда

 т.e.

откуда

, c                                                  (11)

Поставив значение максимального внедрения h из (10) в (8), получим формулу для силы удара

, Н                                            (12)

Для практического использования зависимости (12) удобно массу микрошарика m выразить через плотность ρ_м и объем V: m=ρ_м · V,

где  .

С учетом приведенных соотношений формулы (12) принимает окончательный вид

 , Н                                  (12, а)

Для теоретического определения глубины наклепа h_H в формулу (1) подставим выражение для силы удара дроби (12, а) и после преобразований получим расчетную формулу

, мм                                   (13)

С учетом размера микрошарика D = 0,3…0,4 мм рассчитаем глубину наклепа h_H по данной зависимости при различных скоростях v₀ и пределов текучести σ_Т, соответствующих большой группе углеродистых и легированных сталей конструкционного и инструментального назначений. Так, глубина наклепа при следующих данных: D = 0,3 мм, v₀ = 15 м/с, ρ_м=7,8 г/см³, σ_Т = 500 Н/мм² составила h_H = 0,058 мм, что соответствует приемлемой величине, характерной для процесса дробеударного упрочнения.

Вследствие того, что формула (13) с большой степенью достоверности позволяет аналитически определить глубину наклепа h_H, произведена оценка ее зависимости от режимного параметра (скорости дроби v₀) и физико – механического свойства материала (предела текучести σ_Т) с целью выявления некоторых закономерностей.

Рисунок 3. Зависимость глубины наклепа h_H от скорости дроби v₀ при различных значениях предела текучести σ_Т: 1 – 500 Н/мм², 2 – 800 Н/мм², 3 – 1000 Н/мм².

Как свидетельствуют расчетные данные [10], с увеличением скорости удара v₀ микрошарика глубина наклепа h_H монотонно возрастает (рис. 3) в пределах 40,8 - 42,3% в зависимости от предела текучести σ_Т = 500-1000 Н/мм². При σ_Т = 500 Н/мм² глубина наклепа увеличивается от значений h_H = 0,058 до 0,082 мм, если σ_Т = 800 Н/мм² – в пределах h_H = 0,052 до 0,074 мм, при σ_Т = 1000 Н/мм² – глубина наклепа достигает величины h_H = 0,049 -  0,069 мм.

При увеличении предела текучести в два раза (от 500 до 1000 Н/мм²) наибольшая разница глубины наклепа наблюдается при v₀ = 30 м/с и составляет 0,013 мм.

Достоверность расчетных значений глубины наклепа h_H, полученных по формуле (13) проверялась путем сопоставления с экспериментальными данными, изложенными в работе [11]. Так, при дробеструйной обработке титановых силавов (σ_Т = 780-1075 Н/мм²) стальными шариками диаметром 0,5 мм со скоростью v₀ = 65 м/с глубина упрочнения составила 0,2 мм. Расчетное значение h_н по формуле (13) при этих данных равно 0,18 мм, что составляет относительную разность расчетных и экспериментальных данных 10%, являющуюся вполне допустимой в расчетной практике при проектировании технологических процессов в машиностроительном производстве.

Заключение. Выполнено аналитическое определение важнейшего параметра качества поверхностного слоя деталей машин – глубины наклепа, позволяющего вести прогнозную оценку долговечности зубьев батана ткацкого станка СТБ.

Показана эффективность механического упрочнения в виде дробеструйной обработки микрошариками рабочих контактных поверхностей зубьев батана в специальном оборудовании.

Сопоставление расчетных данных определения глубины наклепа с экспериментальными подтверждает корректность полученных результатов и и возможность применения в расчетной практике в машиностроении.

Список литературы:

1. Худых М.И.  Ремонт текстильных машин. – М.: Легпромбытиздат, 1991. – 288 с.
2. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с.
3. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных сплавов. – М.: Машиностроение, 1974. – 256 с.
4. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М.М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. – М.: “Янус-К”, 2004. –294 с.
5. Одинцов Л.Г.  Упрочнение и отделка деталей поверхностным   пластическим деформированием. – М.: Машиностроение , 1987. – 328 с.
6. Кудрявцев И.В., Петушков Т.Е. Влияние кривизны поверхности на глубину пластической деформации при упрочнении поверхностным наклепом // Вестник машиностроения. - Москва, 1966. - №7. -С. 41-48.
7. Кравченко Б.А.  Теория формирования поверхностного слоя  деталей машин при механической обработке. – Куйбышев:  КПтИ, 1981. – 90 с.
8. Саверин М.М., Дробеструйный наклеп. Теоретические основы и практика применения. - М.: Машгиз. 1955. – 321 с.
9. Клейс И.Р., Кангур Х.Ф. Экспериментальное и расчетное определение глубины повреждений от удара сферического индентора // Трение и износ. -Москва,1987. -Т.8. №4 -С. 605-613.
10. Kasimov B.M., Muminov M.R, Shin I.G. Combined Strengthening of Batan Teeth of the Stb Loom // International journal on orange technologies, - Indonesia, Volume: 03 Issue: 04 | April 2021; p.p. 223-225. ISSN: 2615-8140 (05.00.00; IF 5.9)
11. Kasimov, B. (2023). Improvement of the environmental safety of weaving equipment by reducing the wear of contact surfaces. E3S Web of Conferences, 390. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202339001025.