Динамическая стабилизация в производстве маложестких деталей

УДК 621.81:539.43 

Антонюк, В. Е. Динамическая стабилизация в производстве маложестких 

деталей / В. Е. Антонюк. - Минск : Беларуская навука, 2017. - 190 с. ISBN 978-985-08-2174-4.

Приведена информация о процессе динамической стабилизации и возможностях его ис
пользования при изготовлении маложестких деталей типа колец, дисков, торсионных и коленчатых валов, длинных труб и стержневых деталей. Дано теоретическое обоснование процесса 
и режимов динамической стабилизации для различных типов маложестких деталей. Показаны преимущества динамической стабилизации по сравнению с известными методами обеспечения геометрической точности и снятия остаточных напряжений. Приведено описание практического применения динамической стабилизации для дисков сцепления и фрикционных 
дисков трения, намечены пути ее использования при изготовлении различных типов маложестких деталей на белорусских и зарубежных предприятиях. Производство маложестких деталей является приоритетным направлением для белорусского машиностроения, позволяющим существенно снижать материалоемкость изделий. 

Монография предназначена для специалистов, научных и инженерно-технических работ
ников машиностроения, а также для преподавателей, аспирантов и студентов машиностроительных специальностей. 

Табл. 46. Ил. 106. Библиогр.: 202 назв. 

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор А. Т. Скойбеда,
доктор технических наук, профессор А. П. Минаков

ISBN 978-985-08-2174-4  
 
© Антонюк В. Е., 2017
© Оформление. РУП «Издательский дом 

«Беларуская навука», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Беларусь – страна высокоразвитого машиностроения, требующего посто
янного повышения точности и качества выпускаемых изделий с одновременным снижением их материалоемкости. 

Требованиям снижения материалоемкости отвечает использование мало
жестких деталей, а в ряде таких областей, как авиация и космос, принципиально применяются только детали малой жесткости. Изготовление последних 
требует современных технологий, обеспечивающих стабильность геометрических параметров при изготовлении и сохранность их при эксплуатации. 

При механической и термической обработках деталей возникают различ
ные виды остаточных напряжений, в результате изменяются их геометрические параметры и форма как в процессе изготовления, так и при последующей 
эксплуатации. Эта проблема часто проявляется при изготовлении маложестких деталей типа дисков, колец, торсионных и коленчатых валов, длинных 
труб и цилиндров. Следует отметить, что до настоящего времени общее решение этой задачи отсутствует и продолжаются поиски эффективных технологических методов стабилизации геометрических параметров и одновременного снятия остаточных напряжений в процессе изготовления таких деталей. 

Для исключения данных явлений применяются различные технологиче
ские правки, которые в большинстве случаев основаны на нагружении детали 
статической нагрузкой. Методы статической правки позволяют улучшить геометрическую форму детали в процессе изготовления, однако через некоторое 
время деталь вновь приобретает первоначальное искажение. Эти правки не 
уменьшают остаточных напряжений и поэтому не обеспечивают сохранение 
стабильной геометрической формы детали на протяжении длительного времени не только в процессе эксплуатации, но и при обычном хранении. 

Известные методы снятия остаточных напряжений различными видами 

термической обработки в некоторых случаях позволяют стабилизировать геометрические параметры деталей. Термическая обработка таких деталей всегда приводит к их деформированию и в ряде случаев определяет конструкцию 
и массу детали. Следует отметить, что термические методы требуют довольно 
длительного времени и значительных энергетических затрат. 

Анализ мирового опыта использования циклического нагружения для 

снятия остаточных напряжений подтверждает перспективность данного ме

тода. Эффективное снижение остаточных напряжений происходит в относительно узком диапазоне высоких уровней напряжений выше предела пропорциональности материала, но ниже предела текучести. Поведение материалов 
в этой области еще недостаточно изучено, однако практический опыт использования циклического нагружения подтверждает возможности снижения 
остаточных напряжений и стабилизации геометрической формы нежестких 
деталей. 

Для обеспечения геометрической точности и снятия остаточных напряже
ний в процессе изготовления для маложестких деталей предлагается использовать метод динамической стабилизации, основанный на том, что при нагружении детали знакопеременной циклической нагрузкой происходят стабилизация геометрической формы детали относительно оси или плоскости приложения знакопеременной нагрузки и одновременное снятие остаточных напряжений. 

Практическое использование динамической стабилизации реализовано 

при изготовлении дисков сцепления и фрикционных дисков. Полученный 
опыт при изготовлении дисков позволяет расширить область использования 
динамической стабилизации на другие типы маложестких деталей. По достигаемой точности и снижению уровня остаточных напряжений динамическая 
стабилизация имеет ряд преимуществ по сравнению с известными методами 
правок маложестких деталей. 

Динамическая стабилизация - белорусская разработка и результат пло
дотворного многолетнего сотрудничества белорусских производственников 
и ученых, которые принимали активное участие в создании этого метода: 
в Минском проектно-конструкторском технологическом институте - Р. Е. Игудесман, А. П. Самосейко, А. М. Белов, Л. И. Седун, в Объединенном институте 
машиностроения НАН Беларуси - О. В. Берестнев, А. М. Гоман, А. С. Скороходов, В. С. Александрова, в Белорусском национальном техническом университете - Э. М. Дечко, С. С. Довнар, на Белорусском автомобильном заводе – 
В. В. Рудый, М. М. Заболоцкий, В. И. Зварыгин и др. 

Динамическая стабилизация является новым технологическим методом 

повышения качества деталей и многие решения приходилось находить путем 
проб и ошибок. В монографии обобщен опыт разработки и внедрения динамической стабилизации и автор надеется, что эта работа позволит расширить 
область применения динамической стабилизации, избежать ошибок и сократить сроки ее внедрения применительно к широкой номенклатуре маложестких деталей. 

1

СПОСОБЫ ПРАВКИ И СТАБИЛИЗАЦИИ 

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ 

В процессе изготовления большинство деталей подвержено различным 

видам деформаций, приводящих к изменению их геометрических параметров. 
При механической и термической обработках заготовок деталей возникают 
различные виды остаточных напряжений, детали могут деформироваться 
в результате сил резания, сил зажима, перепада температур, структурных изменений и т. д. Для исключения этих явлений применяются различные виды 
правки деталей и снятия остаточных напряжений. В дальнейшем под правкой 
мы будем понимать достижение требуемых геометрических параметров в процессе изготовления, под стабилизацией - снятие остаточных напряжений 
в изготовленных изделиях с целью обеспечения стабильности их геометрических параметров в процессе эксплуатации. 

Правка при деформировании статической нагрузкой в направлении, 

противоположном искажению, является наиболее распространенным методом (рис. 1.1) и осуществляется посредством пластического изгиба, растяжения или сжатия [1]. Недостатком этого метода является то, что при деформировании статической нагрузкой остаточные напряжения не удаляются и через 
некоторое время правленая деталь приобретает прежнюю форму. 

Рис. 1.1. Правка статической нагрузкой

Правка при многократном знакопеременном пластическом изгибе ис
пользуется в валковых и роликовых правильных машинах, применяемых для 
правки листового и сортового проката (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Схема многороликового правильного стана

В листоправильных машинах число валков составляет 7–17, в некоторых 

случаях - 19–29. Известная в области производства роликовых машин для 
правки фирма Arкu (Германия) [2, 3] видит одно из важнейших направлений 
совершенствования листоправильных машин в увеличении числа роликов до 
19-21, что подверждает преимущества знакопеременного нагружения для 
проведения правки. Однако эти процессы невозможно в полной степени считать динамическими, так как результаты получаются в пределах 10-15 циклов 
нагружения. На роликовых машинах количество знакопеременных циклов нагружения ограничено конструкцией машины и в итоге для большинства деталей, подвергаемых правке, используется только один тип циклограммы нагружения. Тем не менее даже в пределах небольшого числа циклов нагружения 
достигается повышение точности изделий. 

Вибрационная обработка получила широкое применение при обработке 

сварных конструкций для снижения остаточных напряжений. Суть вибрационной обработки заключается в возбуждении в подвергаемой обработке детали низкочастотных механических колебаний. Основным преимуществом вибрационной обработки является малая энергоемкость по сравнению с термической обработкой. Основные положения вибрационной обработки изложены 
в [4-8]. Вибрационная обработка сварных образцов из низкоуглеродистой стали на режимах, обеспечивающих протекание упругопластических деформаций, уменьшает напряжения первого рода на 50–60%, второго рода на 45%. 
Основные параметры вибрационной обработки - амплитуда и время вибронагружения. При первом цикле нагружения напряжения снижаются на 50–70%, 
в течение последующих десяти циклов – на 25–30% и при дальнейшем нагружении до 104 циклов – на 10–25% [7, 8]. 

Область вибрационной обработки представлена на рис. 1.3. При вибраци
онной обработке на стадии циклической микротекучести до линии 2 обычные 
механические свойства (предел текучести, микротвердость и др. ) не изменяются. Начало интенсивного микропластического течения устанавливается 

по изменению характеристики 
внутреннего тре ния и обозначено линией 1, области микротекучести разграничены линией 2, 
линии 3, 4, 5 отражают соответственно стадии циклического 
упрочнения, образования субмикроскопических трещин и усталостного разрушения. В малоуглеродистой стали стадия циклического течения связана с протеканием по всему объему материала макроскопической пластической деформации, характеризуемой резким увеличением плотности дислокаций по границам зерен в перлите и вокруг включений, протеканием поперечного скольжения и началом формирования ячеистой дислокационной 
структуры. Кроме того, повышается величина микротвердости, снижается 
предел пропорциональности, изменяются характеристики внутреннего трения и др. Процесс уменьшения остаточных напряжений в поле суммарных 
остаточных и вибрационных напряжений начинается с начала микроскопического течения и завершаются макроскопическим течением. Суммарные значения остаточных и вибрационных напряжений должны быть меньше величины 
критических напряжений усталости [7, 8]. 

Режимы вибрационной обработки находятся в пределах 104 циклов нагру
жения, в большинстве случаев для каждой конкретной детали они определяются экспериментально, процессы данной обработки не различаются для 
упрочняемых и разупрочняемых сталей. 

Ультразвуковая обработка используется при изготовлении колец под
шипников вместо термической обработки, режимы обработки для каждой детали устанавливаются экспериментально [9, 10]. По уровню напряжений и количеству циклов нагружения режимы ультразвуковой обработки находятся 
вне зоны малоцикловой усталости, процессы ультразвуковой обработки не 
различаются для упрочняемых и разупрочняемых сталей. 

Динамическое старение используется при обработке пружинных сталей 

и позволяет создавать особое структурное состояние стали, реализующее более высокие показатели упругих свойств по сравнению с параметрами, достигнутыми при традиционной термической обработке [11]. По уровню напряжений и количеству циклов нагружения режимы динамического старения 
находятся вне зоны малоцикловой усталости. 

Компьютерное моделирование технологических процессов обработки 

и правки используется для снижения величины остаточных напряжений при 
механической обработке за счет учета влияния режимов резания. Для этих 
целей применяется математическое моделирование на стадии проектирова
Рис. 1.3. Область вибрационной обработки [8]

ния технологического процесса механической обработки детали. В [12] предлагается использование математических моделей, построенных на основе дискретных методов. Моделирование позволяет выбирать оптимальные параметры обработки по критерию минимальных остаточных деформаций детали. 
Предлагаемая методика снижения остаточных деформаций имеет место при 
изготовлении авиационных маложестких деталей на стадии проектирования 
технологических процессов. Математическая модель учета технологических 
факторов при обработке маложестких дисков и пластин при изготовлении маложестких дисков газотурбинных установок из труднообрабатываемых материалов на предприятии «Салют» (Россия) приведена в [13]. В [14] предлагается использовать конечно-элементный анализ процесса правки маложестких 
стержневых изделий с помощью программного продукта MSC visual Nastran. 
Математические модели для исследования процессов ориентации и изгиба валов, выбора оптимальных режимов, обеспечивающих требуемые точностные 
показатели качества правки при минимальном количестве нагружений валов 
усилием изгиба, алгоритмы управления технологическими процессами правки валов с учетом их оптимизации по выбранным критериям подробно изложены в [15]. Поверхностное пластическое деформирование для исправления 
коробления деталей типа валов предложено использовать в [16]. В [17] разработаны основные положения прогнозирования технологических остаточных 
деформаций деталей типа маложестких валов по значениям параметров всей 
совокупности технологических операций, включая формирование заготовки 
и регулирование режимов механической обработки и характеристик инструмента. По результатам компьютерного моделирования технологических процессов обработки и правки следует отметить возможности этого направления 
в предотвращении остаточных напряжений при изготовлении деталей сложной конфигурации. 

Термическая, термомеханическая и термоциклическая обработки де
талей в качестве стабилизирующей обработки подробно проанализированы 
в [18]. Отмечено, что термические методы стабилизирующей обработки хорошо устраняют остаточные напряжения, но приводят к разупрочнению материала и снижению сопротивления микропластическим деформациям. Кроме 
того, у деталей сложной конфигурации возникают дополнительные термические деформации, в результате методы термической обработки не всегда решают проблему стабилизации геометрических параметров сложных изделий. 

Правка оружейных стволов является одной из самых трудоемких и ма
лопроизводительных ручных операций [19]. Ее основной вид - статическая 
правка с изгибом ствола на определенную величину. Она не позволяет сохранить прямолинейность оси канала ствола на последующих операциях и поэтому в технологических процессах изготовления стволов предусматривается 
до восьми правочных операций после основных этапов механической и термической обработок. Практически после каждой операции снятия стружки 
с наружной поверхности требуются контроль и правка стволов. Это связано 

с тем, что при пластической деформации возникают внутренние остаточные напряжения сравнительно 
большой величины, различные как 
по длине, так и по сечению детали. 

При производстве оружейных 

стволов используется также и вибрационная правка под напряжением, схема процесса приведена на рис. 1.4 [19]. 

Стволу сообщается сложнонапряженное состояние путем растяжения 

и закручивания гидроприводами относительно оси и последующих радиальных колебаний от вибратора. Растягивающее усилие создает напряжение растяжения, не превышающее предела текучести материала. Направление крутящего момента должно совпадать с направлением винтовой линии нарезки 
в направляющей части канала ствола. Вибрация детали в радиальном направлении может осуществляться любыми вибраторами, которые устанавливаются обычно в средней ее части, для низкочастотных колебаний (до 200 Гц) используются механические и гидравлические вибраторы, обеспечивающие постоянную амплитуду колебаний на большой мощности. На рис. 1. 5 приведен 
график применения величин напряжений и непрямолинейности в зависимости от режимов обработки. 

Приведен пример правки стволов диаметром до 9 мм с режимами вибра
ционной правки: 
р
σ = 400-500 МПа, t = 40-50 МПа, А = 0,2-0,3 мм, 
вибр
f
= 

50 Гц, t = 0,3-0,5 мин [19]. Обработка по данным режимам позволяет снизить 
величину внутренних остаточных напряжений в два раза, повысить точность 
по непрямолинейности оси направляющей части канала ствола в три раза 
(по ТУ значение непрямолинейности 
∆  составляет 0,055 мм на 300 мм 
длины) [19]. В приведенном примере 
материал ствола и его характеристики не указаны. В [19] отмечено, что 
для стволов диаметром до 9 мм применяется сталь марки 50РА и приводятся механические характеристики 
после за калки и высокого отпуска:

в
σ = 940 МПа, 
0,2
σ
= 820 МПа, 
пц
σ
= 

710 МПа. Если принять максимальные режимы виброобработки: 
0
σ = 

500 МПа, t = 50 МПа, то суммарное 
напряжение будет приблизительно 

равно 
2
2
(
3
)
507
Σ
σ =
σ + t
=
 МПа, что 

ниже предела пропорциональности 

Рис. 1.4. Схема вибрационной правки оружейных 

стволов [19]

Рис. 1.5. Режимы вибрационной правки ору
жейных стволов [19]

пц
σ
= 710 МПа для стали мар
ки 50РА. Если принять время вибрационной правки 0,30,5 мин при частоте 50 Гц, то 
по количеству циклов нагружения вибрационная правка 
находится в диапазоне 9001500 циклов, что отвечает максимальным значениям первого 

периода усталостной прочности, который условно соответствует 102-104 циклам нагружения. 

Вибрационная правка дисков предложена в [20], схема вибрационной 

правки фрикционных дисков представлена на рис. 1.6. 

По этому способу предварительно измеряют отклонения детали по угло
вому или линейному шагу волны и амплитудным значениям деформации диска, идентифицируют выступ или впадину волны деформации и относительно 
их устанавливают опоры для создания обратного перегиба изделия. Затем на 
нагруженное изделие накладывают вибрацию с частотой нагружения от 0,5 
до 1,5 собственной частоты колебаний изделия. Наибольшее снижение величины неплоскостности рабочих поверхностей дисков достигается при прогибе дисков 2-3 мм, максимальном времени правки 3 мин, частоте циклических 
колебаний 50 Гц и амплитуде 0,32 мм. На основе установленных режимов вибрационной правки дисков создан алгоритм управления процессом обработки. 

Правка труб на косовалковых машинах является наиболее перспектив
ной по обеспечению прямолинейности труб [21]. Основным преимуществом 
правки труб на правильных косовалковых машинах является то, что при правке труба не вращается и процесс происходит при циклических знакопеременных изгибах, при этом продольная кривизна выправляемых труб не превышает 0,5 мм/п. м. В оборудовании для точной правки труб используют десятивалковые правильные машины. Технологии изгиба труб внутри калибра 
успешно реализуются на более дешевых шестивалковых и восьмивалковых 
правильных машинах [22]. 

Оптимизированная правка рельсов рассматривается в [23]. В боль
шинстве случаев при изготовлении рельсов после их охлаждения до нормальной температуры прямолинейность не соответствует техническим требованиям и необходим процесс правки. Технически и экономически предпочтительным представляется метод роликовой правки. Однако в процессе 
такой правки в рельсах возникают высокие внутренние напряжения. На 
рис. 1.7 представлены схемы машин для роликовой правки рельсов с семью 
и девятью роликами. 

Во время прохождения через машину рельс подвергается знакопеременно
му упругопластическому изгибу. На входе в машину величина изгиба максимальная, а на выходе из нее она снижается до нуля. Для эффективной правки 

Рис. 1.6. Схема вибрационной правки фрикционных 
дисков: А – амплитуда колебаний, λ – прогиб, Р – уси
лие деформации, f – частота колебания [20]