Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. Цели и задачи исследований 6
1.1. Обзор исследований в области интенсификации 6 виброабразивной обработки .
1.1.1 Направления интенсификации вибрационной 6 обработки
1.1.2 Методы интенсификации ВиО, основанные на комбинировании различных видов энергетического воздействия 12
1.2 Технологические возможности и закономерности ультразвуковой обработки 18
1.2.1 Применение ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки 18
1.2.2 Закономерности влияния ультразвуковых колебаний на эрозию твёрдых тел 19
1.2.3 Предпосылки применения ультразвуковых колебаний для интенсификации виброабразивной обработки 30
1.3 Цель и задачи исследований 32
Глава 2. Выбор и обоснование технологической схемы виброабразивной ультразвуковой обработки 34
2.1 Варианты наложения ультразвукового поля на массу загрузки рабочей камеры при виброабразивной обработке 34
2.2 Сравнительная оценка влияния расположения ультразвукового поля в рабочей камере на повышение эффективности процесса 38
2.2.1 Источники ультразвуковых колебаний, оборудование и среды 38
2.2.2 Методика исследований и результаты сравнительной оценки 43
2.3 Обоснование эффективных условий реализации процесса ВиАУЗО 45
Глава 3. Технологические закономерности виброабразивной ультразвуковой обработки 51
3.1. Технологический эффект воздействия потока гранулированной абразивной среды на поверхность деталей 51
3.2. Технологический эффект обработки поверхностей детали в ультразвуковом поле 57
3.2.1. Механизм кавитационно-абразивного разрушения при ВиАУЗО 57
3.2.2 Кинетическая модель повреждаемости и разрушения поверхности детали в ультразвуковом поле при ВиАУЗО 59
3.3 Формирование шероховатости поверхности при ВиАУЗО 80
3.4 Оценка продолжительности ВиАУЗО 82
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса ВиАУЗО 88
4.1 Исследование эффективности влияния ультразвукового поля на разрушение поверхности 88
4.1.1 Технические средства исследований 88
4.1.2 Методика и результаты экспериментальных исследований 95
4.2 Исследование производительности процесса ВиАУЗО и качества поверхности деталей 104
4.2.1 Методика и технические средства исследований 104
4.2.2 Исследование съёма металла при ВиАУЗО 106
4.4.3 Исследование шероховатости поверхности при
ВиАУЗО 113
Глава 5. Практическое использование результатов исследований 120
5.1 Рекомендации по проектированию средств технологического оснащения ВиАУЗО 120
5.2 Методические рекомендации для проектирования эффективных технологических процессов ВиАУЗО 124
5.3 Практическое применение технологии ВиАУЗО 127
Заключение и основные выводы по работе 130
Библиографический список 131
- Методы интенсификации ВиО, основанные на комбинировании различных видов энергетического воздействия
- Сравнительная оценка влияния расположения ультразвукового поля в рабочей камере на повышение эффективности процесса
- Технологический эффект обработки поверхностей детали в ультразвуковом поле
- Исследование производительности процесса ВиАУЗО и качества поверхности деталей
Введение к работе
Актуальность исследования.В современном машиностроении основное влияние на качество и эксплуатационные свойства поверхности деталей оказывают финишные операции. Задача повышения качества продукции связана с совершенствованием известных и разработкой новых, эффективных методов финишной обработки, среди которых ведущее место занимает вибрационная обработка (ВиО). Большой интерес специалистов к этому процессу объясняется её широкими технологическими возможностями и существенными технико-экономическими преимуществами.
Непрерывное совершенствование процесса приводит к созданию новых разновидностей ВиО на основе комбинирования различных схем обработки и воздействия различных видов энергии (тепловой и механической, механической и химической, электрической и химической и др.). Это позволяет увеличить производительность обработки, улучшить качество выпускаемых изделий; снизить себестоимость их изготовления и таким образом интенсифицировать известные технологические процессы, а также реализовать новые физико-химические эффекты при обработке деталей. Поэтому направление, связанное с разработкой новых комбинированных методов вибрационной обработки деталей и их технологий является весьма актуальным.
Диссертация посвящена разработке и комплексному исследованию нового комбинированного метода – виброабразивной ультразвуковой обработки (ВиАУЗО), который обеспечивает интенсификацию процесса-виброабразивнойобработки наложением ультразвукового поля.
Степень разработанности проблемы.
Большой вклад в разработку теоретических основ вибрационной обработки и ее практического использования внесли работы: А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, И.Ф. Гончаревича, В.П. Кольцова, А.П. Субача, М.А. Тамаркина, В.А. Анпилогова, М.Е. Шаинского, а также зарубежных специалистов Матсунаги М., Хагиуды У. (Япония), К. Веллингера (ФРГ), В. Брандта (США) и др.
Известно, что ультразвуковые колебания успешно используют для интенсификации различных процессов механической обработки заготовок.
В работах О.В. Абрамова, Б.А. Аграната, Л. Бергмана,Л.Д. Ро-зенберга и других установлено, что эффективность использования ультразвуковых колебании при обработке свободным абразивом зависит от амплитуды и частоты колебаний, физико-механических свойств обрабатываемых материалов, статической нагрузки, вида абразива и его концентрации в суспензии и связывается с увеличением активности абразивных зёрен, изменением кинематики и динамики взаимодействия обрабатываемой поверхности с инструментом, кавитационными явлениями в жидкой фазе, снижением усилий обработки и т.д.
Вышесказанное позволяет прогнозировать повышение эффективности виброабразивной обработки при наложении ультразвукового воздействия.
Цель работы –установление закономерностей и разработка комбинированного метода высокоэффективной виброабразивной ультразвуковой обработки на основе комплексных исследований параметров процесса.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разработка технологических схем виброабразивной-ультразвуковой
обработки.
2. Обоснование параметров обуславливающих эффективность процесса
ВиАУЗО.
-
Теоретические исследования процесса кавитационно-абразивного разрушения металла в ультразвуковом поле.
-
Установление основных закономерностей влияния УЗК на производительность процесса и качество обрабатываемой поверхности.
-
Разработка рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения для ВиАУЗО.
-
Разработка методических рекомендаций для проектирования эффективных технологических процессовВиАУЗО.
Предмет исследования - основные закономерности удаления металла и формирования шероховатости поверхности при ВиАУЗО.
Объект исследования - технологический процесс виброабразивной ультразвуковой обработки деталей.
Методологической базой исследования является анализ основных закономерностей процессов протекающих под воздействием высокочастотных и низкочастотных колебаний при обработке металлов свободным абразивом.
Теоретической базой исследования являются основные положения технологии машиностроения, теории абразивной обработки и теории ультразвуковой обработки.
Эмпирической базой исследования являются современные методы изучения съема металла и качества обработанной поверхности.
Научные результаты, выносимые на защиту:
раскрыта сущностьсовместного воздействия низкочастотных и высокочастотных колебаний при обработке деталей свободным абразивом; - механизм кавитационно-абразивного разрушения при ВиАУЗО; теоретико-вероятностная модель процесса съема металла; получена аналитическая зависимость изменения шероховатости обработанной поверхности при ВиАУЗО;
разработана методика расчета и выбора рациональных параметров ВиАУЗО при решении различных технологических задач;
Научная новизна результатов исследования.Разработан комбинированный метод виброабразивной ультразвуковой обработки на основе совмещения низкочастотных и высокочастотных колебаний и предложена эффективная технологическая схема его реализации.
Выявлены предпосылки и разработана модель кавитационно-абразивного разрушения поверхности металла в ультразвуковом поле. Установлены закономерности влияния технологических параметров ВиАУЗО на производительность процесса и качество обработанной поверхности.
Теоретическая значимость работы заключается в создании комплекса теоретических моделей процесса обработки, отражающего его основные закономерности и составляющие основу практических действий технолога при проектировании эффективныхтехнологических процессов.
Практическая значимость работы заключается в создании методики инженерных расчетов рациональных технологических параметров ВиАУЗОи научно-обоснованных рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения процесса.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.02.08 - Технология машиностроения. Диссертация посвящена совершенствованию существующих и созданию новых технологических процессов изготовления изделий требуемого качества и соответствует пунктам области исследования №2 (Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости), №3 (Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения), №4 (Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска).
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Миссия молодежи в науке» (ЮФУ Таганрог 2010), Международном научно-техническом семинаре« Вопросы вибрационной технологии» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011),Международном научно-техническом семинаре "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011), Международной научно - практической конференции в рамках VII промышленного конгресса Юга России «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011), XV Международной научно -технической конференции: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий» (ОрелГТУ Орел 2012), Международной научной конференции «Механика ударно-волновых процессов в технологических
системах» (ДГТУ Ростов-на-Дону2012), «Научно-техническая конферен
циях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студен
тов» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011,2012,2013), Международных научно-
технических конференциях:Состояние и перспективы развития сельско
хозяйственного машиностроения "Интерагромаш" (Ростов-на-Дону
2013, 2014), Международной научно-технической конференции «Науко
ёмкие комбинированные и виброволновые технологии обработки матери
алов» (ДГТУ,Ростов-на-Дону 2013), XI-ой Международной научно-
практической конференции«Современные инструментальные системы,
информационные технологии и инновации», Юго-Западный гос. ун-т.,
(Курск,2014).
Разработанная на основании результатов исследований техноло-
гияВиАУЗО и средства технологического оснащения процесса прошли
промышленные испытания на ОАО “Роствертол” и рекомендованы к
внедрению в производство.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации (всего 5,45 п. л., лично автором – 3,75 п. л.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 104 наименования, изложена на 141 странице, содержит 19 таблиц, 62 рисунка и приложения.
Методы интенсификации ВиО, основанные на комбинировании различных видов энергетического воздействия
Рабочая среда перемещается в камере под действием на неё низкочастотных колебаний, развиваемых вибратором. Вибратор крепится к виброплатформе, а обрабатываемые детали или оправки (спутники) с закрепленными на них деталями ориентируются вдоль магнитных силовых линий. Рабочая камера выполняется из диамагнитного материала (нержавеющая сталь, дюралюминий и т.д.). Полюсы электромагнитов, обращенные к рабочей камере, получают разноименную намагниченность, и магнитные силовые линии проходят через рабочую камеру в направлении от одного полюса к другому. Рабочая среда перемещается под действием вибрации, а обрабатываемые ферромагнитные детали ориентируются вдоль магнитных силовых линий, в результате чего они не соударяются между собой в процессе обработки благодаря их взаимному отталкиванию.
Обрабатываемые детали перемещаются вокруг общего центра за счёт энергии циркулирующей среды в направлении её движения, но с меньшей скоростью, а также поворачиваются вокруг собственной оси. Это позволяет интенсифицировать процесс ВиО и обеспечить равномерный съём металла, так как детали перемещаются последовательно по всем зонам рабочей камеры с различной интенсивностью обработки. Кроме того, удерживание деталей в электромагнитном поле при подъёме электромагнитов облегчает отделение деталей от рабочей среды и удаление их из зоны обработки. ВиМгАО представляет собой совокупность импульсных процессов резания и пластического деформирования поверхностного слоя деталей, ориентацией, расположением и движением которых управляют с помощью магнитного поля. Параметрами, определяющими характер обработки, являются режим колебаний (А = 0,5-7 мм, f = 15-50 Гц), характеристика рабочей среды, магнитная индукция (B=0,04-01 Тл).
Такую обработку применяют для деталей типа стержней сложной конфигурации с повышенными требованиями к точности изготовления и качеству поверхности (кулачковые валики, распределительные валы, шнеки и т. п.).
Однако, несмотря на ряд преимуществ данного метода обработки, его важным недостатком является то, что обрабатываться могут только детали из ферромагнитных материалов. Вибрационная механико-термическая обработка (ВиМТО)
К настоящему времени выполнен ряд работ по исследованию процесса вибрационной механико-термической обработки (ВиМТО) [10,38] (рис. 1.4). Вибрационная механико-термическая обработка как один из комбинированных методов ВиО совмещает два вида энергетического воздействия на зону обработки: механического и термического. Она характеризуется нагревом вибрирующей среды и деталей до температуры 150-500С и возможностью облегчения пластической деформации при указанных температурах. При этих условиях могут осуществляться операции упрочняющей, стабилизирующей, некоторых видов термической обработки и нанесения покрытий. Совмещение механического и теплового воздействия способствует более интенсивному протеканию процессов, приводящих к образованию заданных физико-механических свойств поверхностного слоя заготовки и повышению качества наносимых в процессе обработки металлических покрытий. В результате проведенных исследований установлено, что при вибрационной отделочно-упрочняющей обработке наложение регулируемого температурного поля позволяет воздействовать на заготовки сочетанием низкочастотной вибрации, поверхностного наклепа и нагрева.
Виброабразивная электрохимическая обработка (ВиАЭХО) Исследованию процесса ВиО с одновременным электрохимическим воздействием посвящены работы А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, В.А. Григорьева [15,29,32]. ВиАЭХО характеризуется наложением на рабочее пространство контейнера вибрационного станка электрохимического процесса (рис. 1.5). Обычная технологическая жидкость заменяется электролитом. Процесс сопровождается комплексным воздействием на обрабатываемую поверхность электрохимического растворения поверхностного слоя материала заготовки и механического разрушения с последующим удалением продуктов растворения и разрушения. При этом достигается повышение интенсивности съема металла и производительности процесса. Обработке могут подвергаться как закрепленные и ориентированные заготовки, так и свободно загруженные.
При ВиАЭХО заготовки загружаются в рабочую камеру, заполненную абразивной обрабатывающей средой и электролитом требуемого состава. Расположение электродов позволяет полностью использовать весь объем рабочей камеры. При обработке в нейтральных электролитах напряжение составляет 1-30 В, а технологический ток – 50-500 А, плотность – 0,1-0,5 А/см2. В качестве обрабатывающей среды используются известные для вибрационной обработки абразивные материалы. Под действием электрического тока и электролита на поверхности заготовок образуется пленка с высоким сопротивлением, прочность которой меньше прочности основного материала. В результате вибрационного воздействия частицы абразива легко разрушают оксидную пленку и удаляют тонкий поверхностный слой. В качестве электролитов используют растворы на основе нейтральных солей (хлористый натрий, азотно-кислый или азотокислый натрий и др.). Интенсивность съема металла при ВиАЭХО в 6-10 раз выше по сравнению с обычной вибрационной обработкой.
Сравнительная оценка влияния расположения ультразвукового поля в рабочей камере на повышение эффективности процесса
В своём энциклопедическом труде, посвящённом ультразвуку, Л. Бергман отмечал, что применение ультразвука для очистки и обеззараживания металлических деталей впервые в больших масштабах было введено в США [18]. Очищаемые детали при помощи конвейера со скорость 30 см/мин перемещали через резервуар с трихлорэтиленом, облучаемый снизу ультразвуком с частотой 300-1000 кгц. При этом металлические детали полностью очищались от жира, частиц грязи, стружек и полировальных материалов. Этот метод, для которого можно использовать и ультразвук частотой 20-30 кгц, оказался особенно ценным при очистке небольших деталей сложной формы с различного рода прорезями, отверстиями, винтовыми нарезками и т.п. Впоследствии его стали применять для очистки стеклянных деталей, керамики, очистки металлических деталей от слоя ржавчины, для очистки литейных форм от стекла.
Как показали исследования последних 10-15 лет, выполненные как в нашей стране, так и за рубежом, применение ультразвука для интенсификации процессов очистки является наиболее эффективным из всего арсенала средств, используемых для очистки деталей. Видимо, этим объясняется тот факт, что ультразвуковая очистка по масштабам внедрения в практику и по количеству выпускаемого технологического оборудования занимает первое место среди других областей технологического применения ультразвука в машиностроении.
В работах Б.А. Аграната, А.П. Панова, М.Г. Сиротюка [4,5,63] на основе большого экспериментального материала доказано, что ультразвуковые жидкостные технологические процессы и, в частности, ультразвуковая очистка поверхности основаны на использовании эффектов, которые возникают в жидкости под действием звуковых колебаний высокой частоты и интенсивности. К ним относятся: акустическая кавитация с эрозионным воздействием на поверхность, давление звукового излучения, акустические потоки различной интенсивности, капиллярный эффект.
Явление акустической кавитации возникает при возбуждении и распространении в жидкости ультразвуковых механических колебаний, представляющих собой периодически чередующееся сжатие и разрежение частиц среды. В полупериод разрежения – полупериод отрицательных давлений – в результате разрыва жидкости образуются кавитационные полости или пузырьки. Такие пузырьки образуются обычно в местах, где прочность жидкости ослаблена, где есть мелкие пузырьки нерастворенного газа, частички посторонних примесей, границы раздела жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело и другие подобные зародыши кавитации. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются сильные микропотоки, приводящие к возникновению активной локальной турбулентности среды. В следующий полупериод сжатия давление в кавитационной полости резко возрастает, происходит их «схлопывание», которое приводит к излучению микроударной волны, в результате чего возникают локальные мгновенные давления, достигающие сотен и даже нескольких тысяч килограмм-сил на квадратный сантиметр. Кроме того, при захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также локальное повышение температуры и электрические разряды.
В момент захлопывания, когда размеры пузырька уменьшаются в несколько сот раз, давление и температура газа внутри пузырьков достигают значительных величин. Сжатая в пузырьке парогазовая смесь порождает своеобразную «отдачу» в виде ударной сферической волны. Распространяясь в жидкости, ударная волна может вызвать специфические эффекты, такие как разрушение твердой поверхности или кавитационная эрозия, ускорение некоторых химических реакций, акустические микропотоки и т.д. [86].
Анализ результатов исследований кавитационно-эрозионного воздействия на твёрдую поверхность, представленных в работах [2,4,5,19,63,86,88], позволил установить следующее:
1. При увеличении амплитуды колебаний во всех случаях наблюдается изменение интенсивности эрозионных эффектов (рис.1.6). При расположении образца на наиболее близком расстоянии от источника колебаний (h = 0,5 мм) увеличение интенсивности эрозионного воздействия наблюдается во всем интервале исследуемых амплитуд колебательных смещений, вплоть до =60 мкм. Однако по мере удаления испытуемого образца от источника колебаний наблюдается появление максимума зависимости G (). Рис. 1.6. Относительное изменение потери массы при расположении образцов на различных расстояниях от излучателя [63 ]: 1 – h=0,5 мм; 2 –h=1 мм; 3 – h=4 мм; 4 – h=6 мм
Последнее обстоятельство связано с образованием в кавитационной области с ростом амплитуды колебаний зоны с высоким уровнем поглощения звука. Эта зона непосредственно примыкает к излучающей поверхности источника колебаний и представляет собой область, практически полностью заполненную кавитационными пузырьками.
2. Увеличение амплитуды колебаний излучателя приводит к увеличению как суммарной эрозии, так и эрозии в ближней зоне (рис. 1.7). По мере увеличения амплитуды колебаний вклад ближней к источнику колебаний зоны в суммарную эрозию непрерывно увеличивается и при =50/60 мкм достигает 80-85% от величины суммарной эрозии. Кроме того, как установлено в работе [85], рост амплитуды приводит к изменению топографии эрозионного воздействия, что фактически является отображением изменения некоторых физических процессов, протекающих
Технологический эффект обработки поверхностей детали в ультразвуковом поле
Процесс виброабразивной обработки и достигаемый при этом технологический эффект достаточно подробно изучены и представлены в научных трудах А.П. Бабичева, М.А. Тамаркина, С.Н. Шевцова и других [15,32,57,61,69,71,80,92,95]. Поэтому рассмотрим основные научные достижения в этой области.
В числе первых основополагающих работ по раскрытию физической сущности технологических процессов виброабразивной обработки следует выделить работы А.П. Бабичева [15]. Проведённые им исследования механики взаимодействия абразивной среды и детали при вибрационном воздействии позволили ему сформулировать механофизико-химическую модель процессов разрушения поверхности детали в среде вибрирующих абразивных гранул, которая явилась исходной предпосылкой для дальнейших исследований в этой области. Суть модели заключается в следующем:
1. В зоне соударения гранул обрабатывающей среды с поверхностью обрабатываемой детали под действием вибраций происходит ударный механический контакт; на этом этапе имеет место упругая, пластическая, упругопластическая деформация и разрушение поверхностного слоя с удалением частиц металла.
2. В результате воздействия абразивных гранул на поверхности образуется разрыхлённый слой активированного металла.
3. Активированный слой металла взаимодействует с окружающей средой (жидкость, ПАВ). Этот этап характеризуется образованием ослабленных вторичных структур.
4. Последующими ударами абразивных гранул обрабатывающей среды идёт разрушение вторичных структур.
5. В результате на поверхности детали образуется специфический субмикрорельеф, представляющий собой слой чрезвычайно мелкораздробленных частиц, как соединённых между собой «мостиками» схватывания своими ювенальными поверхностями, так и связанными с основным металлом. Из этой модели следует, что интенсивность съёма металла при виброабразивной обработке зависит от интенсивности механического и химического воздействия и способности материала детали сопротивляться действию указанных процессов. Для определения удельного съема металла в зависимости от различных параметров им предложено обобщенное эмпирическое уравнение в виде ц=3,8А125НВ 091КпК3КоКсіКу ,кг/с, (3.1) где А - амплитуда колебаний; ИВ- твёрдость обрабатываемого материала; KnK3KGKdKy - коэффициенты, отражающие влияние частоты колебаний, зернистости абразивных гранул, массы детали, грануляции обрабатывающей среды, объёма загрузки рабочей камеры соответственно (указанные коэффициенты выбираются из таблиц). В работе [15] также показано, что виброабразивная обработка оказывает существенное влияние на шероховатость поверхности. Образование микрорельефа поверхности в процессе виброобработки происходит путём последовательного нанесения на обрабатываемую поверхность большого числа следов обработки и их многократного пересечения в различных направлениях.
Формируемая в процессе виброабразивной обработки шероховатость зависит от большого числа факторов, которые нашли своё отражение в предложенном для её расчёта эмпирическом уравнении Rz = Rzucx -5, (3.2) 0,5 где Rz исх- исходная шероховатость; 5 - условная толщина снимаемого слоя материала с гребешков микронеровностей; Kд - коэффициент, учитывающий скругление неровностей; KRz - коэффициент, учитывающий изменение съема материала по мере уменьшения высоты микронеровностей; у - плотность обрабатываемого материала; t продолжительность обработки; Kв - коэффициент вытесненного металла, qр - съем материала при единичном микрорезании-царапании. Дальнейшее развитие исследования в области виброабразивной обработки получили в работах М.А.Тамаркина [80]. На основе теоретических и экспериментальных исследований он доказал, что наиболее целесообразным, соответствующим реальному процессу удаления металла представляется метод, заключающийся в определении съема металла при единичном взаимодействии абразивной частицы с поверхностью детали с последующим умножением на количество таких взаимодействий за время обработки. Учитывая, что количество взаимодействий, приходящихся на единицу поверхности детали в единицу времени, носит случайный характер и его невозможно функционально связать с технологическими параметрами процесса, М.А. Тамаркин предложил в качестве инструментария для описания характера протекания подобных процессов использовать методы теории вероятностей. Это позволило зависимостям для оценки технологического эффекта при обработке деталей свободными абразивными гранулами, во-первых, придать аналитическую стройность, а во-вторых -раскрыть физический смысл коэффициентов, которые в уравнениях (3.1), (3.2) имели чисто эмпирический характер.
Исследование производительности процесса ВиАУЗО и качества поверхности деталей
В процессе обработки свободными абразивами, как отмечают многие исследователи [15,31,56,71,80,81,96] , изменение шероховатости поверхности имеет экспоненциальный характер. Скорость образования нового рельефа мало отличающихся от нуля к моменту образования установившейся шероховатости, что свидетельствует о формировании непрерывно воспроизводимого рельефа поверхности. Каждой комбинации технологических параметров соответствует такая удельная плотность взаимодействий и такой уровень энергии абразивных гранул, которые однозначно определяют как продолжительность периода tRaycT, так и высотные параметры установившегося рельефа.
Как показано в работах [15,45,80], формирование шероховатости поверхности при абразивной обработке описывается более сложными зависимостями, чем удаление металла с обрабатываемой поверхности. Наложение ультразвукового поля на процесс виброабразивной обработки приводит к ещё большей сложности описания формирования шероховатости обрабатываемой поверхности. Разработать теоретические зависимости для этого описания в настоящее время не представляется возможным. Учитывая результаты предварительных исследований, можно предложить воспользоваться для определения установившейся шероховатости поверхности при ВиАУЗО известными теоретическими зависимостями для ВиО с добавлением соответствующих эмпирических коэффициентов, учитывающих уменьшение величины установившейся шероховатости за счёт кавитационно-абразивного разрушения вершин микронеровностей.
В работе [80] предложена зависимость для расчёта среднего арифметического отклонения установившейся шероховатости (3.43). Применительно к ВиАУЗО её можно записать Яауст = 0.09 Куз I maxL , (3.44) где Куз - коэффициент, учитывающий уменьшение величины установившейся шероховатости в процессе кавитационно-абразивного разрушения вершин микронеровностей.
Учитывая экспоненциальный характер изменения высотных параметров шероховатости поверхности детали при обработке свободными абразивами, используя методический подход, предложенный в работе [80], зависимость изменения значений этих параметров в функции от времени обработки при ВиАУЗО представим в виде Ra = (йаисх - RcLyCT)exp{-KKy3t) + RayCT , (3.45) где Raucx – среднее арифметическое отклонение профиля исходной шероховатости. Для определения коэффициента Куз выражение (3.45) преобразуем к виду Луз "а исх Установлено, что для достижения установившейся шероховатости поверхности при обработке свободными абразивами необходимо полностью удалить профиль исходной шероховатости. Поэтому в качестве критерия предельного съёма металла может быть принят объём металла исходного микропрофиля высотой йаисх на площади, ограниченной квадратом упаковки. Тогда время, при котором формируется установившаяся шероховатость в процессе ВиАУЗО, составит
В общем виде уравнение для оценки продолжительности вибрационной ультразвуковой обработки можно представить как тп — — —— (3.50) Р п ап , где Пкр - критическое значение функции, контролирующей разрушение материала; ІІ - скорость роста этой функции, П / t. Исходя из технологического назначения ВиАУЗО, в качестве функции П будем рассматривать металлосъём с поверхности детали с целью решения одной из следующих технологических задач: - удаление дефектного слоя (после литья, штамповки и т.п.); - удаление заусенцев и облоя либо скругление острых кромок до определенного радиуса; - достижение заданной установившейся шероховатости. При этом уравнение продолжительности обработки примет вид Укр тп = —, (3.51) р Уо где QKp - объём металла, который необходимо удалить с поверхности для решения технологической задачи; у0 - скорость разрушения поверхности в процессе обработки.
Расчет скорости съёма металла Ранее было отмечено, что вибрационная ультразвуковая обработка есть результат одновременного протекания двух совмещённых во времени процессов - процесса микрорезания абразивными гранулами и процесса кавитационно-абразивного разрушения. Таким образом, несмотря на то, что каждый из них характеризуется своей спецификой воздействия, скорость металлосъёма с поверхности обрабатываемой детали при ВиАУЗО можно записать в виде У о — Ув + Ууз , (3.52) гдеув - скорость съёма металла в процессе вибрационного воздействия потока абразивных гранул; ууз - скорость кавитационно-абразивного разрушения в ультразвуковом поле. В процессе обработки поверхность детали непрерывно подвергается динамическому воздействию абразивных гранул и тонкодисперсных частиц. Равномерность обработки поверхности будет обеспечена только тогда, когда каждый условно выделенный на поверхности единичный элемент поверхности будет подвергнут разрушению. Поэтому интенсивность съёма металла с поверхности при ВиАУЗО можно вполне объективно оценить, смоделировав процесс обработки единичного элемента поверхности. Если принять за единичный элемент площадь квадрата упаковки абразивных гранул обрабатывающей среды на поверхности со стороной, равной диаметру описанной окружности радиусом Rr, то зависимость (3.3), предложенную в работе [80], для оценки скорости съёма металла в процессе вибрационного воздействия потока абразивных гранул можно представить в виде
