Волгоград, Волгоградская область, Россия
Волгоград, Россия
УДК 539.411 Прочность на сжатие. Сопротивление сжатию
УДК 621.787.4 давлением (прокаткой и т.д.)
Предложено аналитическое решение упругопластической контактной задачи применительно к процессам отделочно-упрочняющей механической обработки длинных тонкостенных труб ротационным обкатыванием цилиндрическими и псевдосферическими тороидальными роликами. Рассматривается технологическое и инструментальное обеспечение этих процессов с целью повышения качественных показателей поверхностей труб и устранения погрешностей геометрической формы поперечного сечения. Определены условия самоподачи труб во время обработки. Разработан алгоритм расчета рациональных режимов поверхностного пластического деформирования длинномерных тонкостенных труб в программном комплексе Mathcad, учитывающий особую геометрию и повышенную гибкость тонкостенных труб, а также жесткие требования к изделиям по точности диаметрального размера и качеству обработанных поверхностей. Предлагаемая методика расчётного назначения рациональных технологических режимов отделочно-упрочняющей обработки прошла экспериментальную проверку на тонкостенных трубах (местами сплюснутых до 1 мм по диаметру) из стали 30 твёрдостью НВ160 с исходной шероховатостью поверхности Ra = 1,25…1,6 мкм. Обкатка труб проводилась с применением 3-х роликового обкатного устройства при частоте вращения обоймы с цилиндрическими роликами около 80 об/мин. Расчётные углы наклона роликов в обойме обкатного устройства и технологические параметры режима обработки позволили при 5…8-ми кратном перекрытии первоначального следа инструмента обеспечить не только условия самоподачи трубы и высокую производительность процесса, но и получение требуемых глубин наклёпа и степени деформационного упрочнения её поверхности. При этом шероховатость поверхности снизилась почти на порядок (до Ra ≤ 0,2 мкм) без заметных следов волнистости и шелушения, а первоначальная некруглость сечения трубы практически совсем исчезла. Разработанная методика ротационной обкатки длинных тонкостенных труб рекомендуется к широкому практическому использованию на машиностроительных предприятиях.
тонкостенная труба, упругопластическая контактная деформация, ротационная обкатка, тороидальный ролик
В приведенных выражениях и
– полные эллиптические интегралы первого и второго рода соответственно, значения которых, как и зависящих от них коэффициентов
,
и
, определяются либо по справочным таблицам, аналогичным приведённым в работе [3], либо рассчитываются с использованием программного комплекса Mathcad по значениям отношений главных кривизн поверхностей контактирующих тел.
Поскольку ротационная обработка труб проводится с малыми степенями деформации поверхностей при небольших углах установки роликов, то получаемые на начальном этапе деформирования на поверхности трубы неглубокие остаточные вмятины имеют достаточно вытянутые эллиптические контуры с большим эксцентриситетом, т.е. с малыми значениями . В этой связи при расчётном определении приведенного диаметра ролика по формуле (18) необходимо пользоваться более точным выражением для
в уравнении (19), приближенное же применяется достаточно успешно только при УО или ОУО сплошных валов [4].
Технологическое обеспечение процессов ротационного обкатывания длинных тонкостенных труб заданных размеров (диаметр и толщина стенки
) и известными механическими свойствами материала (предел текучести
или твёрдость HD, предельная равномерная деформация 
) заключается в определении формы, геометрических размеров инструмента и рациональных режимов обработки. Форма обжимных роликов выбирается конструктивно: либо правильная цилиндрическая, либо тороидальная псевдосферическая, при этом последняя при прочих равных условиях является предпочтительней по обеспечению повышенной производительности процесса.
Расчётом производится назначение диаметра 
роликов в плоскости обкатки, угла их установки и определение силы
обжатия труб. При этом контролируется и ряд других сопутствующих параметров рациональности техпроцесса, которые должны обеспечить получение требуемой степени упрочнения поверхности и заданной глубины наклёпанного слоя. Кратко, алгоритм расчётного назначения рациональных режимов ротационной обкатки длинных тонкостенных труб включает следующие операции:
1. Дополнительно к перечисленным выше исходным данным необходимо задаться значениями интенсивности деформаций: в центре единичного остаточного отпечатка и
– на поверхности, кроме того, нужны толщина
наклёпанного слоя и угол
установки роликов (предварительно рекомендуется принимать:
, и
).
2. Совместным решением уравнений (15) и приближённого (19) при неизвестном пока значении диаметра обкатного ролика с учётом зависимостей (7) и (17) определяются вначале глубина h единичного отпечатка, а затем и диаметр ролика с использованием программного комплекса Mathcad-7, после чего назначается его рациональное значение, и уточняются главные кривизны A и B поверхностей тел. Следует заметить, что принимаемое значение должно быть не ниже расчётного и удовлетворять конструкции обкатного устройства, а для уменьшения волнистости обработанной поверхности, согласно рекомендациям [2], – быть, по возможности, кратным диаметру D трубы.
3. Решением трансцендентного уравнения (20) относительно эксцентриситета контура упругой контактной площадки с привлечением программного комплекса Mathcad с подпрограммой root(f(x), x) определяются значения коэффициентов
,
и
; затем по точной формуле (19) рассчитывается отношение полуосей
контура единичной остаточной вмятины, и далее по выражению (18) находится
.
4. По выражению (7) с учётом (8) рассчитывается рабочая нагрузка F (сила обкатки), далее по уравнению (11) определяется упругая составляющая полного сближения
тел в контакте, и по зависимостям (9) находятся полуоси
и
контура единичной остаточной вмятины, после чего уточняется принятый ранее угол
установки роликов.
5. Контроль адекватности полученного решения осуществляется по удовлетворительному совпадению значений принятой и рассчитанной по уравнению (12) глубинам наклёпа zs. При несовпадении проводится небольшая корректировка значений, принятых ранее коэффициентов и
в рекомендуемых пределах. В заключении определяется реальное перекрытие роликами начального отпечатка длиной 2a, оцениваемое коэффициентом 
, значение которого должно быть не менее 6-х при 3-х роликовом обкатном устройстве [10].
Экспериментальная проверка предлагаемой методики расчёта рациональных режимов отделочно-упрочняющей обкатки проводилась на предварительно очищенных от заметных следов коррозии и окалины прямошовных тонкостенных трубах из стали 30 ( мм и
мм, твёрдость HB160,
, шероховатость поверхности 1,25…1,6 мкм), местами сплюснутых до
мм, которые были установлены углом 
= 7,5 º, и сила обкатки
кН обеспечивали глубину наклёпа
мм (т.е.
) и степень деформации поверхности 
, при этом происходило почти 8-кратное (
) перекрытие начального отпечатка (2а = 22,06 мм и 2b = 1,37 мм) без заметных следов волнистости обработанной
поверхности. Кроме того, шероховатость
поверхности снизилась почти на порядок (до
0,2 мкм), а некруглость сечения практически совсем исчезла.
1. ГОСТ 8733-75. Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные и теплодеформированные (технические требования); ГОСТ 10704-91. Трубы стальные электросварные прямошовные (сортамент).
2. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М.: Машиностроение. 1975. 160 с.
3. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение. 1986. 224 с.
4. Сидякин Ю.И. Разработка метода расчета упругопластических контактных деформаций в процессах упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: ЦНИИТМАШ. 2002. 34 с.
5. Сидякин Ю.И. Повышение эффективности упрочняющей механической обработки валов обкаткой их роликами или шариками // Вестник машиностроения. 2001. № 2. С. 43−49.
6. Sidyakin Y.I., Olshtynsky S.N., Abakumova S.Y. Application of smoothing rollers in processes finishing-strengthening treatment of shafts’ SPD // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering. 2020. P. 1213−1222. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1_129
7. Отений Я.Н., Никифоров Н.И., Алабин В.А., Лаврентьев А.М. Обеспечение точности формы при обработке ротационным обкатыванием длинных тонкостенных труб // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 7. C. 12−16.
8. Коновалов Е.Г. Ротационная обработка поверхностей с автоматической подачей. Минск: Высшая школа. 1976. 192 с.
9. Сидякин Ю.И. Сферическая модель исследования упругопластической контактной деформации. // Известия ВолгГТУ. Прогрессивные технологии в машиностроении, вып. 6, № 12 (72). ВолгГТУ. Волгоград. 2010. С. 48−52.
10. Отений Я. Н. Обеспечение точности формы при обработке ротационным обкатыванием длинных тонкостенных труб // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 7. C. 12−16.
