Способ определения коэффициента нормальной жесткости упругопластического контакта детали и индентора двоякой кривизны
Патент 2027984
Авторы
Классы МПК
Способ определения коэффициента нормальной жесткости упругопластического контакта детали и индентора двоякой кривизны
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике для определения контактной жесткости. Целью изобретения является повышение точности определения. Способ заключается в том, что поверхности детали и индентора радиусом Rпр с определенными геометрическими параметрами шероховатости и упругими константами материалов прижимают одна к другой с заданной силой P, нормальной к плоскости стыка, определяют остаточную и упругую части полного сближения и по их сумме - величину полного сближения в контакте и коэффициент j нормальной контактной жесткости, при этом дополнительно определяют предел текучести sт , временное сопротивление в и предельную равномерную деформацию р материала детали при растяжении, с учетом которых определяют интенсивность i,o упругопластичной деформации в центре упругопластического отпечатка по формуле с учетом указанных выше параметров. 2 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения коэффициента нормальной жесткости деталей машин, выбора параметров обработки металлов поверхностным пластическим деформированием, а также в других случаях, когда необходимо определять сближение в упругопластическом контакте.
Известен способ определения коэффициента нормальной контактной жесткости экспериментальным путем, заключающийся в том, что к стыку шероховатых деталей прикладывают нормальную сжимающую нагрузку Р и измеряют возникающие при этом (вследствие внедрения микронеровностей) сближение в контакте . Коэффициент нормальной жесткости контакта j определяют по формуле j = или j = . (1) Недостатком этого способа является то, что полученные значения j справедливы только для тех условий (геометрические параметры микронеровностей, механические свойства и упругие константы материалов деталей), для которых проводилось измерение. Следовательно, при изменении этих условий необходимо вновь опытным путем определять соответствующие значения j. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, заключающийся в том, что поверхности деталей с определенными геометрическими параметрами шероховатости и упругими константами материалов контактирующих деталей прижимают одна к другой заданной силой, нормальной к плоскости стыка деталей, и определяют величину сближения в контакте двух деталей в режиме упругопластической деформации и коэффициент нормальной контактной жесткости, измеряют пластическую твердость в зоне контакта, а величину сближения в контакте определяют по формуле =, (2) где Р - нагрузка; Ao - номинальная площадь контакта; hmax - максимальная высота выступа шероховатости; b и - коэффициенты опорной кривой; h - остаточная часть полного сближения в контакте; НD - пластическая твердость; Куп - коэффициент силового подобия. Недостатком этого способа является то, что использование пластической твердости НD для определения остаточной части h полного сближения (глубины остаточного отпечатка) позволяет достоверно определять значения h лишь в узком диапазоне - до значений, не превышающих 0,16 Rпр. Сущностью изобретения является то, что поверхности детали и индентора радиусом Rпр с определенными геометрическими параметрами шероховатости и упругими константами материалов прижимают одна к другой с заданной силой Р, нормальной к плоскости стыка, определяют остаточную и упругую части полного сближения и по их сумме - величину полного сближения в контакте и коэффициент j нормальной контактной жесткости, при этом дополнительно определяют предел текучести т, временное сопротивление в и предельную равномерную деформацию p материала детали при растяжении, с учетом которых определяют интенсивность i,oупругопластической деформации в центре упругопластического отпечатка по формуле io= - , (3) а остаточную часть сближения h в центре контакта определяют с учетом i,o по формуле h = Rпр-R2пр- 1,77PRK1+ + +, (4) где 1 - коэффициент Пуассона для материала индентора; 2 - коэффициент Пуассона для материала детали; К1 - константа упругости материала индентора; К2 - константа упругости материала детали; m = m = - коэффициент, зависящий от механических характеристик материала детали. Отличительными признаками изобретения является то, что дополнительно определяют предел текучести т , временное сопротивление в и предельную равномерную деформацию p материала детали при растяжении, с учетом которых определяют интенсивность i,oупругопластической деформации в центре упругопластического отпечатка по формуле (3), а остаточную часть сближения h в центре контакта определяют с учетом i,o по формуле (4). Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа и новые взаимосвязи, установленные между механическими свойствами материала детали т, в,p, упругими константами детали и индентора, а также геометрическими размерами контактирующих тел, позволили определить интенсивность i,o упругопластической деформации в центре упругопластического отпечатка и с ее учетом предложить формулу для определения остаточной части сближения h, справедливую в широком диапазоне глубин внедрения индентора. Таким образом предлагаемый способ позволяет повысить точность определения полного сближения , а следовательно, повысить точность определения коэффициента нормальной жесткости упругопластического контакта индентора двоякой кривизны. Способ реализуется следующим образом. Определяют приведенный радиус кривизны Rпр детали и индентора Rпр = , (5) где A и В соответственно меньшая и большая из следующих двух сумм A = B = , (6) знаки "+" и "-" относятся соответственно к случаям контакта индентора с деталью, сечение которой в данной плоскости кривизны ограничено выпуклым или вогнутым контурами; R1,1, R2,1 - радиусы кривизны индентора; R1,2, R2,2 - радиусы кривизны детали в сечениях двумя главными плоскостями кривизны; nр, nб - коэффициенты, зависящие от соотношения главных кривизн A/B. Определяют для материала детали предел текучести т , временное сопротивление в , предельную равномерную деформацию p . Для этого из материала детали изготавливают стандартный образец для испытания на растяжение и проводят испытание согласно ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытания на растяжение". Определяют для заданной нагрузки Р на индентор значение интенсивности пластической деформации i,o в центре упругопластического отпечатка по формуле (3), а остаточную часть сближения h в центре контакта определяют с учетом i,o по формуле (4). В формулах (3) и (4) константы упругости К1 и К2 определяют как K1,2 = , (7) где и Е - коэффициент Пуассона и модуль нормальной упругости (индексы 1 и 2 относятся соответственно к материалу индентора и детали). Определяют упругую часть сближения y из уравнения у = , (8) и полное сближение в контакте = h+y, (9) а затем по одной из формул (1) определяют коэффициент нормальной жесткости упругопластического контакта. П р и м е р. Определение коэффициента нормальной жесткости упругопластического контакта индентора двоякой кривизны провели на деталях, изготовленных из стали 20 ( т = 247 МПа, в = 480 МПа, p = 0,198) и стали 45 ( т= 480 МПа, в = 770 МПа, p = =0,21). Индентор был изготовлен из стали ШХ-15 и имел приведенный радиус кривизны Rпр = 2,5 мм. Упругие константы материала индентора и деталей: 1=2= 0,28, Е1= = Е2 = 2105 МПа. Для каждого значения нагрузки по формуле (3) определяли величину интенсивности i,o упругопластической деформации в центре упругопластического отпечатка, а по формуле (4) остаточную часть сближения h в центре контакта. Результаты представлены в табл. 1. Там же приведены значения глубин hп остаточных отпечатков, определенные по способу-прототипу, согласно которому hп = Р/2RпрНD, (10) где HD - пластическая твердость детали (для стали 20 HD-1236 МПа, для стали 45 НD-2400 МПа). В табл. 1 внесены также измеренные экспериментально глубины hэостаточных отпечатков. В табл. 2 сопоставлены значения полного сближения и коэффициента нормальной контактной жесткости, определенные по предлагаемому способу, способу-прототипу и найденные экспериментально. Как видно из табл. 1 и 2, погрешность предлагаемого способа составляет около 5% по сравнению с данными эксперимента, в то время как по способу-прототипа (при значениях h > 0,16 Rпр) погрешность достигает 30% и более. Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности предлагаемого способа для практического использования.Формула изобретения
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НОРМАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА ДЕТАЛИ И ИНДЕНТОРА ДВОЯКОЙ КРИВИЗНЫ радиусом Rпр, по которому поверхности детали и индентора с определенными геометрическими параметрами шероховатости и упругими константами материалов прижимают друг к другу с заданной силой P, нормальной к плоскости стыка, определяют остаточную и упругую части полного сближения и по их сумме - величину полного сближения в контакте и коэффициент j нормальной контактной жесткости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при определении, дополнительно определяют предел текучести sт, временное сопротивление в и предельную равномерную деформацию р материала детали при растяжении, с учетом которых определяют интенсивность io упругопластической деформации в центре упругопластического отпечатка по формуле а остаточную часть сближения h в центре контакта определяют с учетом io по формуле где 1 - коэффициент Пуассона для материала индентора; 2 - коэффициент Пуассона для материала детали; K1 - константа упругости материала индентора; K2 - константа упругости материала детали; - коэффициент, зависящий от механических характеристик материала детали.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2