Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1. Параметры качества поверхностного слоя 10
1.2. Управление параметрами качества поверхностного слоя 14
1.3. Статико-импульсная обработка 16
1.4. Анализ технологических возможностей упрочняющей стати ко-импульсной обработки 23
Выводы 34
2. Обеспечение лабораторных исследований 36
2.1. Экспериментальный стенд для исследований ударных волн и пластической деформации при статико-импульсной обработке 36
2.2. Измерительная и фиксирующая аппаратура 44
2.3. Тарировка измерительного комплекса 45
2.4. Методика планирования эксперимента и обработки данных... 46
Выводы 50
3. Моделирование процесса упрочнения статико импульсной обработкой 51
3.1. Модель определения динамической составляющей силы деформирования (формы ударного импульса) в пятне контакта инструмента и заготовки в произвольный момент времени 51
3.2. Модель сопротивления материала внедрению инструмента... 57
3.3. Модель определения энергии ударного импульса 63
3.4. Экспериментальные исследования ударных импульсов 66
3.5. Модель определения пластической деформации и глубины упрочнения 68
3.6. Исследование формы ударных импульсов
3.7. Экспериментально-аналитическая модель определения глубины и степени упрочнения в зависимости от перекрытия пласти ческих отпечатков 76
Выводы 80
4. Исследование взаимосвязей между параметрами статико-импульсной обработки и показателями качества поверхностного слоя 82
4.1. Алгоритм решения прямой задачи упрочнения статико-импульсной обработкой 82
4.2. Алгоритм решения обратной задачи упрочнения статико-импульсной обработкой 96
4.3. Описание программного продукта для решения прямой и обработкой задачи упрочнения статико-импульсной обработкой 120
4.4. Анализ процесса статико-импульсной обработки посредством разработанного программного продукта 127
Выводы 129
Общие выводы и результаты 130
Литература
- Управление параметрами качества поверхностного слоя
- Измерительная и фиксирующая аппаратура
- Экспериментальные исследования ударных импульсов
- Алгоритм решения обратной задачи упрочнения статико-импульсной обработкой
Управление параметрами качества поверхностного слоя
Повышение эффективности и расширение области применения ППД связано с созданием и развитием способов, обеспечивающих одновременно большую глубину упрочнения (более 3 мм) и необходимые показатели качества: твердость, остаточные напряжения, шероховатость поверхности. Такие способы должны в очаге деформации обеспечивать давление более 3 7Т (где ат - предел текучести обрабатываемого металла) [33]. Анализ статических и динамических способов ППД показал, что для создания высоких давлений динамическое воздействие на материал энергетически более выгодно, по сравнению со статическим [11, 74]. Однако одной из главных проблем успешного применения динамической нагрузки при ППД является низкая точность при регулировании показателей качества поверхностного слоя, т.к. при одинаковой кинетической энергии удара, энергия, расходуемая на пластическую деформацию, может быть разной. Это связано с тем, что с увеличением скорости нагружения уменьшается время протекания пластической деформации, поэтому ее величина будет зависеть не только от силы удара, т. е. амплитуды ударного импульса, но и от его длительности [41, 53, 101]. При упрочнении ППД динамическими способами это не учитывалось.
Исследованиями ударных процессов Александровым Е.В., Соколин-ским В.Б., Алимовым О.Д., Манжосовым В.К., Еремьянцом В.Э. доказана возможность управления формой ударных импульсов за счет геометрических и акустических параметров используемой ударной системы [2-5, 22, 91]. Удар, в этом случае, рассматривается в виде распространяющихся по соударяемым телам плоских акустических волн, которые характеризуются законом изменения деформаций или сил во времени, максимальным значением сил (амплитудой волны), временем действия сил (длительности волны) и энергией волны. Эти характеристики зависят от геометрии соударяющихся элементов, свойств их материалов и скорости соударения. Период такой волны называют ударным импульсом. Форма ударного импульса, поступающего в очаг деформации (область контакта индентора с нагружаемой средой), и будет определять эффективность динамического нагружения в целом. Для ППД упрочнение управляемыми ударными импульсами впервые предложено А.В. Киричеком и Д.Л. Соловьевым. Разработаны новые принципы классификации динамических способов ППД [38, 45, 110]. В основу известных систем классификации динамических способов ППД положены следующие признаки [13, 27, 74, 75, 77, 83]: - материал, форма и размеры рабочего тела; - количество одновременно участвующих в обработке рабочих тел; - механизм сообщения рабочему телу кинетической энергии; - скорость, энергия и направление деформирующего воздействия. Способы поверхностного ударного деформационного упрочнения систематизированы по следующим признакам (рис. 1.1): - использованию энергии волновых процессов; - способу подвода энергии в зону деформации; - форме ударного импульса в пятне контакта; - наличию или отсутствию предударного статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности.
В результате проведенных исследований [49, 53], когда для удара использовались различные ударные системы (табл. 1.1) в очаге деформации были получены ударные импульсы различной формы (рис. 1.2). При ударе шаром формировался треугольный импульс с высокой амплитудой, небольшой длительности и малой энергией. При ударе торцом цилиндрического стержня (бойком) - импульс трапецеидальной формы меньшей амплитуды, но большей длительности и большей энергии. При ударе бойка через предварительно статически поджатое к нагружаемой поверхности промежуточное звено (волновод) - пролонгированный импульс, содержащий головную и хвостовую части. Оценка импульсов показала, что импульс, полученный в результате удара бойка через волновод, отличается наибольшей энергией.
Измерительная и фиксирующая аппаратура
Для оценки влияния параметров статико-импульсной обработки на параметры ударных импульсов, которыми происходит нагружение упрочняемого материала, а также оценки получаемой пластической деформации использовался экспериментальный стенд, который моделирует процесс СИО при однократном воздействии инструмента на упрочняемую поверхность (рис. 2.1) [37].
Стенд (рис. 2.1-2.8) содержит волновод 1 с жестко закрепленным на конце инструментом 2 и боек 3, которые свободно перемещаются по направляющим 4, закрепленным на раме 5 и плите 6. Нагружаемый образец 7 (с датчиком 8) расположен между плитой 6 и основанием 9, соединенным между собой болтами 10. На волноводе 1 размещена пружина 11, нагружаемая упором 12, соединенным со втулками 13, смонтированными на стойках рамы 5. Упор 12 имеет возможность перемещения по стойкам рамы под действием усилия со стороны втулок 13 и гаек 14.
Датчик 8, изолированный от внешнего влияния на регистрируемые волновые процессы прокладками 15, подсоединен к регистрирующему че-тырехканальному осциллографу-приставке АСК 3107-L (позиция 16, рис. 2.1), (рис. 2.3) подсоединенным к персональному компьютеру 17.
Стенд может работать в двух режимах: регистрации ударного импульса и формирования отпечатков на образцах.
Режим регистрации ударного импульса реализуется следующим образом. Нагружаемая пластина со вклеенным пьезометрическим датчиком 8 помещается на основание 9 и зажимается сверху плитой 6 с помощью болтов 10. Боек 3 отводится на заданное расстояние от волновода 1 и под тя жестью собственного веса производит удар по его торцу. При этом в волноводе формируется ударный импульс. Пройдя через волновод 1 и жестко закрепленный на его конце инструмент 2, ударный импульс достигает поверхности образца. Регистрация процессов, происходящих в системе боек-волновод-инструмент-пластина, осуществляется путем преобразования механического воздействия в электрический заряд посредством пьезоэлектрического датчика. Строгая соосность бойка 3, волновода 1 и пьезоэлектрического датчика 8 обеспечивает минимальное искажение регистрируемого ударного импульса.
Получение отпечатков на стенде осуществляется следующим образом. Вместо пластины с пьезоэлектрическим датчиком 8 устанавливается образец 7. Волновод 1 по направляющим 4 подводится через отверстие в плите 6 к нагружаемому образцу 7. Боек 3 отводится от волновода 1 на необходимую для выбранной энергии удара высоту, и после этого, разгоняясь под действием силы тяжести, производит удар. Через волновод 1 и жестко закрепленный на его конце инструмент 2 энергия удара передается в очаг деформации нагружаемого образца 7. В результате, в месте контакта формируется остаточная вмятина, размеры которой можно замерить под микроскопом.
Предварительное статическое нагружение поверхности образца 7 осуществляется гайками 14, навинчивающимися на втулки 13. При этом торцы гаек 14 давят на упор 12, который через пружину 11 воздействует на волновод 1. Величина сжатия предварительно тарированной пружины 11 определяет величину предварительного статического нагружения.
Боек и волновод изготовлены из стали, плотность материала принята равной 7600 Н/м , а скорость продольной волны - 5200 м/с. Рис. 2.1. Общий вид стенда для экспериментальных исследований ударных волн и пластической деформации при статико-импульсной обработке "
Для проведения исследований использовалась плоские образцы размером 200x100x10 мм из углеродистой качественной стали 45 ГОСТ 1050-74. При выборе материала исходили из того, что указанная сталь является своеобразным эталоном в технике, хорошо подвергается механической обработке и используется для изготовления деталей машин, подвергаемых упрочнению поверхностным пластическим деформированием. Химический состав и физические свойства приведены в таблице 2.2.
Перед статико-импульсной обработкой образцы подвергались механической обработке обеспечивающей шероховатость поверхности не менее Ra= 10 мкм. 2.2. Характеристики материала образцов для испытаний Массовая доля углерода, % Механические свойства HV Временное сопротивление разрыву, ов, МПа Предел текучести, сод, МПа Относительноеудлинение, 5,% Сталь 45 0,42 - 0,5 600 360 16 2100
Используемые пьезоэлектрические датчики преобразуют механическое воздействие в электрический заряд. Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения вибрационных и ударных нагрузок (до 10000 Н), в диапазоне от 0,5 до 100 кГц.
Основными преимуществами таких преобразователей является: простота конструкции, малые габариты, высокая надежность, возможность измерения параметров быстроизменяющихся процессов. Недостатки проявляются в невозможности измерения статических величин, необходимости тщательной изоляции пьезоэлемента от действия влаги [107].
Для фиксирования величины электрического заряда поступающего с пьезоэлектрического датчика применялся четырехканальный осциллограф-приставка АСК 3107-L подсоединенный к персональному компьютеру Измерение диаметров пластических отпечатков проводилось на оптическом микроскопе ММИ 2, точность измерений которого составляет ±0,5 мкм.
Для оценки микротвердости использовался ультразвуковой твердомер МЕТ-У1. Измерения проводились на специально подготовленных шлифах. 2.3. Тарировка измерительного комплекса
Одним из основных факторов, определяющих характер процесса ста-тико-импульсного упрочнения, является форма ударного импульса. Тарировка пьезоэлектрического датчика, позволяющая определить значение амплитуды ударного импульса, проводилась по методике приведенной в [23]. Погрешность в определении амплитуд исследуемых импульсов не превышает 4%, а энергий - 9%.
Масштаб осциллограмм по оси времени определялся из паспортных данных осциллографа и положения рукояток управления длительностью развертки сигнала на экране осциллографа. Масштаб по оси сил определялся по тарировочному сигналу, полученному на экране осциллографа при нагружении датчика бойком известными по величине силами.
В качестве тарировочного импульса удобно использовать прямоугольный импульс, генерируемый бойком цилиндрической формы. Амплитуда этого импульса определяется по формуле: где р! - плотность материала бойка, кг/м3; F\ - площадь поперечного сечения бойка, м ; а.\ — скорость продольной волны в бойке, м/с; v - скорость соударения бойка с обрабатываемой поверхностью, м/с. График зависимости усилий в контакте тарировочного импульса от амплитуды измеряемого сигнала представлен на рис. 2.9. Длительность ударного импульса фиксировалась осциллографом напрямую. Таким образом, по полученным данным можно оценить форму ударных импульсов в контакте инструмента и упрочняемого материала при нагружении любой ударной системой, в том числе системой боек-волновод используемой при статико-импульсной обработке.
Экспериментальные исследования ударных импульсов
Данная модель позволяет аппроксимировать любую действительную зависимость «сила-внедрение» с требуемой точностью некоторым числом отрезков прямых, причем для адекватного изображения обычно достаточно не более восьми отрезков.
Для реального отображения волн деформаций возникающих в ударной системе и очаге деформации при статико-импульсной обработке необходимо выявить вид зависимости «сила-внедрение» при упругопластиче-ской деформации металлов. Такая зависимость не является линейной в не зависимости от характера нагрузки - статической или динамической [21, 63].
Известно, что общая упругопластическая деформация а включает в себя упругую ау и пластическую сспл составляющие, а сила, затрачиваемая на частичное смятие вершин микронеровностей нагружаемой поверхности, на начальную и последующую упругую деформацию при внедрении, меньше силы, затрачиваемой на пластическую деформацию, и составляет 3...8% [1, 66]. В связи с этим, при определенном приближении, зависимость a =f{Pu) можно заменить на оспл =J[$PU), где ф - коэффициент пластичности, ф = 0,92...0,97. Тогда зависимость «сила — внедрение» для глубины пластической деформации до 0,7... 1мм и скорости удара v = 1... 10 м/с может быть представлена как [21] а коэффициент сопротивления внедрению запишется к = фРи1аш, (3.10) или с учетом формулы (3.9) к = 27rRnpHJfyJ-1, (3.11) где Rnp - приведенный радиус кривизны соударяющихся тел, мм; НД -пластическая твердость обрабатываемого металла, МПа; пд- динамический коэффициент пластической твердости, определяемый по формуле п =0,5(1-137— + J1 + 2250—). Д НД V ВД Для условий СИО, экспериментально установлено, что значимая для создания наклепанного поверхностного слоя пластическая деформация происходит при к = (2,4.. .7,5)10 Н/м.
Значение к определялось отдельно для головной и хвостовой части ударного импульса, поскольку при действии головной части импульса происходят значительные изменения свойств нагружаемой поверхности: увеличивается предел текучести деформируемого материала, увеличивается его твердость. Поэтому дополнительное воздействие энергией хвостовой части импульса будет происходить уже в других условиях, чем при действии головной. Новые условия характеризует новый коэффициент сопротивления внедрению кг= , (3.12) ат где Рк тах - максимальная амплитуда головной части импульса, Н; осг -упругопластическая деформация нагружаемого металла при действии головной части ударного импульса, мм.
Из ф. (3.11) следует, что значения к определяются кривизной инден-тора и нагружаемой поверхности, характеризуемой Rnp, свойствами материала нагружаемой поверхности, характеризуемыми НДо, и скоростью удара v. Полученная зависимость позволяет учитывать при характеристике сопротивления среды внедрению индентора скорость удара. Установлено, что в большей степени на к влияют приведенный радиус и пластическая твердость, причем это влияние примерно одинаково [60]. Однако по мере внедрения инструмента в материал значение НДо будет постоянно увеличиваться и соответственно будет увеличиваться коэффициент сопротивления внедрению. В зависимостях для расчета головной и хвостовой части (3.6) и (3.7) это не учитывалось.
Для задания зависимости k(f) (где t - координата времени действия ударного импульса в интервале 0...7) необходимо сделать следующие допущения. Приведенная кривизна инструмента и упрочняемой поверхности не изменяется в процессе нагружения. Начальному значению к0 = к(0) будет соответствовать исходная твердость материала НДо. Конечному значению ктах = к(Т) будет соответствовать твердость материала, которая может быть максимально достигнута при деформационном упрочнении НДтгіХ. Значения НДтах могут быть определены из табл. 3.1, где представлены экспериментально установленные значения максимально достигаемая степень упрочнения для некоторых марок сталей наиболее часто упрочняемых ППД.
Зависимость коэффициента сопротивления внедрению от времени действия ударного импульса {d\ = 0,048 м, L\ = 0,485 м, п = 2, г = 2, 7?ii = 80 мм, i?2i = 5 мм, Rn — со, i?22 = ) где Umax - максимальное значение коэффициента сопротивления внедрению, достигаемое при внедрении инструмента [ AMV 1+"ТоГ, ко - начальное значение коэффициента сопротивления внедрению, определяемое по исходной твердости материала, (3 - показатель степени, зависящий от модели поведения материала и определяющий характер k(t) (рис. 3.4), у - показатель степени, зависящий от характера k{t) и максимально достигаемой степени упрочнения для данного материала, например для стали 45 (НВ = 2000 МПа) и линейной зависимости, т.е. fi = \, у =2400, для степенных зависимостей: /? = 1/2, у =32,5; /? = 1/3, у =7,8; /? = 2, у = 1,28-107;р= 3, у = 6,9-1010 (рис. 3.4).
В результате расчета по (3.6) и (3.7) при постоянном значении к и к{і) получены следующие формы ударного импульса (рис. 3.5).
Анализ полученных импульсов показывает, что при использовании изменяющегося во времени коэффициента сопротивления внедрению амплитуда головной части увеличивается, а хвостовой уменьшается. Так при г = 2, п = 2 используя постоянное значение к, получаем амплитуду головной части импульса 2,60-105 Н, а хвостовой 2,20-105 Н. Используя k{t) получаем амплитуду головной части импульса 3,30-105 Н, а хвостовой 1,95-105 Н. При г = 2, п = 3 используя постоянное значение к, получаем амплитуду головной части импульса 2,86-10 Н, а хвостовой 2,82-105 Н. Используя Ці) получаем амплитуду головной части импульса 3,60-105 Н, а хвостовой 2,30-105 Н.
Алгоритм решения обратной задачи упрочнения статико-импульсной обработкой
В отличие от «Панели управления» модули имеют возможность взаимодействия только лишь с элементами текущего проекта. Структура модулей программы подчинена главному компоненту - «Панели управления», который имеет возможность управления каждым. Вместе с тем некоторые модули могут непосредственно взаимодействовать между собой (например «Модуль диаграмм» и «Модуль расчета»).
После запуска программы «Панель управления» (рис. 4.4) отображается узкой полосой в верхней части экрана монитора, другие модули функционируют в оставшейся части. «Редактор задач» (рис. 4.5) предназначен для редактирования исходных данных прямой и обратной задач проекта. Выбор типа задачи осуществляется путем переключения соответствующих закладок «Таблицы данных проекта». В зависимости от типа выбранной задачи формируется содержание таблицы. Таблица данных проекта имеет два режима редактирования данных - краткий и расширенный. В кратком режиме отображаются «Режимы обработки» для прямой и «Требуемые показатели качества» для обратной задачи. В расширенном режиме допускается редактирование всех возможных параметров выбранной задачи. Редактор задач имеет возможность открытия, сохранения, печати исходных данных, а также оснащен помощью. требуемая степень упрочнения oHV 48.0 X требуемая глубина упрочнения hz 22 MM требуемая шероховатость поверхности в направлении подачи Rz 15,0 MKM требуемый коэффициент неравномерности (Выбрать из списка -двойной шелчек) НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ОБРАБОТКИ: Kl 0.3 нет исходный радиус кривизны инструмента 1 Rllin 80 MM исходный радиус кривизны инструмента 2 R21in 5 MMнет минимальный коэффициент перекрытия Kmin 0,1 максимальный коэффициент перекрытия
«Редактор результатов» (рис. 4.6) предназначен для просмотра и печати результатов расчета текущей задачи, других задач проекта и значений в отдельных точках диаграммы.
«Модуль расчета» (рис. 4.7) позволяет производить расчет текущей задачи и управлять его процессом. После запуска модуля на экране отображается окно разделенное на четыре части, три из которых содержат таблицы. Внизу отображается строка, содержащая имя текущего проекта, тип и имя текущей задачи и номер точки в которой будет производиться расчет. Таблицы имеют технологическое назначение. Изменение их содержания при расчете позволяет судить о самом процессе расчета. В левом нижнем углу ведется протокол расчета. расход рабочей жидкости Q 18,4370999999704 л7мин подача заготовки tk 2000 мм/мин ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ. длина волновода L2 0,24 м диаметр волновода d2 0,0342946788875476 2 м нет расчетное геометрическое соотношение бойка и волновода расчетное акустическое соотношение бойка и волновода nv out rv_out 2 нет ГЕОМЕТРИЯ ИНСТРУМЕНТА. расчетный радиус кривизны инструмента 1 расчетный радиус кривизны инструмента 2 Rllout 80 мм R21out 28 мм ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ коэффициент полезного действия Eta 0.512704509087849 нет энергия ударовстатическая составляющая нагрузкичастота ударов Ay 79.5183633056132 Джн коэффициент перекрытия К 0,745113657882861 нет глубина упрочнения под единичным отпечатком hO 9.04050000000001 мм скорость удара 4,85774395496925 м/с VAOAVTCDI.ir TMb U МПГЭПГ іиОСИПГП
«Модуль отчетов» (рис. 4.9) предназначен для компоновки исходных данных и результатов расчетов задач проекта для последующего экспорта в другие программы (например, "Microsoft Word" и "Microsoft Excel"), и печати. После запуска модуля в верхней части окна формируются списки «прямых» и «обратных» задач проекта. Печать производится через «Модуль печати», который позволяет устанавливать диалог с печатающим устройством и производить его настройку, определять тип и конфигурацию печатаемого документа, а также выполнять его предварительный просмотр. ОБРАТНЫЕ : Загрузить текущий проект Сохранить отчет по текущему проекту [
Наибольшую практическую ценность имеет возможность полученного программного продукта рассчитать значение конструктивно-технологических и технологических параметров СИО в зависимости от требуемых свойств упрочненной поверхности (обратная задача).
Внедрение технологии СИО совместно с разработанной программой в производство на ООО «Воронежский станкозавод - холдинг» позволило повысить несущую способность упрочненных деталей в 1,4...2 раз по сравнению с базовым технологическим процессом. Экономический эффект от внедрения составил 200 т. руб./год.
В результате расчета по полученной программе и обработки данных в пакете Statistica получены регрессионные зависимости, связывающие показатели качества упрочненного слоя с конструкторско-технологическими и технологическими параметрами статико-импульсной обработки где технологические параметры: Ри - амплитуда ударных импульсов, кН; s — скорость подачи заготовки относительно инструмента, мм/мин; / частота ударных импульсов, Гц; конструкторско-технологические параметры: г - отношение площадей поперечных сечений бойка и волновода, А/В - отношение главных кривизн контактирующих поверхностей инструмента и заготовки (Л Л \ струмента, мм; R-iu Rn - радиусы кривизны нагружаемой поверхности, мм; показатели качества упрочненного слоя: h - глубина упрочнения, мм; Rz — шероховатость упрочненного слоя, мкм; К - коэффициент перекрытия пластических отпечатков, характеризующий равномерность упрочнения.
При исследовании полученных зависимостей установлено, что наиболее значимое влияние на технологические параметры СИО оказывают глубина упрочнения, соотношение площадей поперечных сечений бойка и волновода и равномерность упрочнения, менее значимое отношение главных кривизн контактирующих поверхностей инструмента и заготовки, малое влияние оказывает требуемая шероховатость поверхности.
