Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований... 6
1.1. Сущность и технологические возможности вибрационной отделочно-упрочняющей обработки 6
1.2. Обзор работ в области вибрационной отделочно - упрочняющей обработки 12
1.3. Цель и задачи исследований 30
2. Теоретические исследования основных технологических параметров процесса ВиОУО 31
2.1. Анализ процесса единичного взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью детали 31
2.2.Формирование топографии поверхности деталей машин, подвергнутых ВиОУО 44
2.2.1.Формирование профиля установившейся шероховатости 44
2.2.2. Определение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости 49
2.2.3. Расчет коэффициента интенсивности изменения шероховатости 57
2.2.4. Расчет времени обработки 59
2.2.5. Процесс скруглення острой кромки при ВиОУО 61
2.3. Исследование процесса вибрационного упрочнения 63
2.3.1. Методика расчета параметров деформационного состояния поверхностного слоя 63
2.3.3. Особенности упрочнения материалов с разным видом термической обработки 69
3. Методика проведения экспериментальных исследований 72
З.1.Технологическое оборудование и рабочие среды 72
3.2. Приборы и приспособления для экспериментальных исследований ...75
3.3. Выбор материалов для образцов 84
3.4. Исследование шероховатости поверхности 91
3.5. Исследование скруглення острых кромок 92
3.6. Исследование изменения поверхностной микротвердости 94
4. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров на производительность и качество процесса виброударной обработки 96
4.1. Исследования степени пластической деформации и глубины наклепанного слоя при упрочнении деталей 96
4.2. Исследование формирования профиля шероховатости обработанной поверхности 106
4.2.1. Изменение шероховатости поверхности в процессе обработки 106
4.2.2. Исследование параметров установившейся шероховатости 119
4.2.3. Исследование коэффициента интенсивности изменения шероховатости 127
4.3. Исследования скруглення радиуса острой кромки 136
5. Оптимизация технологических параметров процесса обработки 144
5.1. Разработка методики оптимизации 144
5.2. Разработка элементов САПР ТП 149
5.2.1. Общая структура САПР ТП 149
5.2.2. Оптимизация технологических параметров виброударной обработки 153
Общие выводы и рекомендации 156
Библиографический список 157
- Обзор работ в области вибрационной отделочно - упрочняющей обработки
- Определение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости
- Приборы и приспособления для экспериментальных исследований
- Исследование формирования профиля шероховатости обработанной поверхности
Введение к работе
Научно — технический процесс и связанное с ним увеличение количества и сложности создаваемых изделий новой техники приводит к резкому возрастанию трудоемкости и сложности конструкторских и технологических работ. В этих условиях традиционные методы проектирования не могут обеспечивать своевременное и качественное выполнение работ по технологической подготовке производства новых изделий, сократить сроки и стоимость этих работ возможно на основе создания систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).
В современном машиностроении при выполнении отделочно — упрочняющих операций рост производительности труда с одновременным улучшением качества продукции обеспечивает применение вибрационной отделочно - упрочняющей обработки (ВиОУО) в среде стальных полированных шаров.
Благодаря своим широким технологическим возможностям при обработке деталей сложной конфигурации, высоким технико - экономическим показателям, а также возможности механизации и автоматизации процесс ВиОУО занимает важное место среди отделочно — упрочняющих операций. Однако техническая подготовка процесса ВиОУО вызывает серьезные трудности. Они связаны с недостаточной разработкой теории, пригодной для автоматического моделирования и оптимизации технологических процессов (ТП). В первую очередь, это относится к теории формирования шероховатости поверхности обрабатываемых деталей. Недостаточно разработаны аналитические зависимости, устанавливающие связь между режимами обработки, свойствами материала детали, размерами рабочих сред, производительностью процесса и качеством обработанной поверхности. Не разработана методика оптимизации технологических параметров, влияющих на результаты обработки, что сдерживает внедрение процесса в производство. Решению некоторых из этих задач посвящена настоящая работа.
На основании теоретических исследований необходимо разработать модель процесса единичного взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью детали, и на этой основе предложить модель формирования профиля установившейся шероховатости обрабатываемой детали.
В результате экспериментальных исследований установить адекватность теоретических зависимостей, получить новые данные о процессе обработки.
Провести комплексные исследования изменения шероховатости поверхности детали и параметров деформационного состояния поверхностного слоя в процессе ВиОУО.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать методику расчета технологических параметров процесса и прогнозирования результатов обработки.
Создать адекватную теоретическую модель процесса, что позволит разработать методику оптимизации технологических параметров ВиОУО при помощи ЭВМ.
Работа выполнена на кафедре "Технология Машиностроения" Донского государственного технического университета.
Обзор работ в области вибрационной отделочно - упрочняющей обработки
Широкие технологические возможности вибрационной обработки, высокая производительность, а также возможность механизации и автоматизации обработки деталей сложной конфигурации при выполнении отделочно - упрочняющих и зачистных операций ставят ее в число наиболее перспективных способов обработки деталей машин и приборов. Это в свою очередь вызывает необходимость исследований, способствующих широкому внедрению процесса в производство.
К настоящему времени выполнен большое количество работ по изучению процесса вибрационной обработки в целом, а также одной из его разновидностей отделочно - упрочняющей обработки, исследованию его основных закономерностей и технологических возможностей. Значительное внимание уделено раскрытию сущности процесса, установлению влияния условий обработки (режимов и продолжительности вибрационного воздействия, характеристик используемых рабочих сред и др.) на производительность процесса, качество формирующегося поверхностного слоя (его геометрические и физико - механические параметры) и эксплутационные свойства деталей (усталостную прочность, износостойкость, контактную жесткость, сопротивление коррозии и др.).
Наибольший интерес в области ВиОУО представляют работы А.П. Бабичева, М.А. Тамаркина, Ю.Р. Копылова, Ю.В. Димова, В.П. Устинова, Е.В. Матюхина, Ю.П. Анкудимова, Г.А. Прокопец, В.Г. Санамяна, М.М. Чаава, В.Б. Юркевича, в области методов ППД работы И.В Кудрявцева, В.М. Смелянского, Д.Д. Папшева, М.С. Дрозда а также зарубежных специалистов: В. Пшибыльского (Польша) и др.
Первые сведения о возможности использования колебаний низкой частоты для обработки деталей в среде свободных рабочих тел (впоследствии получившей название «вибрационная обработка») при выполнении отделочно упрочняющих и зачистных операций наиболее полно приведены в работах А.П. Бабичева /4,5,6/. В них дано теоретическое обоснование процесса, его технологических возможностей и области применения.
Работы М.А. Тамаркина /84,85,86/ посвящены оптимизации технологических процессов обработки деталей свободными абразивами. Подробно изучена механика и статистика контактных взаимодействий абразивных частиц с поверхностью детали. Разработана методика оптимизации технологических параметров и САПР ТП обработки свободными абразивами. Однако для условий ВиОУО могут быть использованы лишь обобщённые подходы к оптимизации технологических процессов и разработке САПР ТП. Вопросы, связанные с механикой и статистикой контактных взаимодействий при ВиОУО, требуют проведения дополнительных исследований. В результате экспериментальных исследований установлено, что при ВиОУО каждому сочетанию материала детали и технологических режимов обработки соответствует функция Ra(t) , имеющая граничные условия, характеризующие технологические возможности обработки детали в заданных условиях. Как показывают исследования, изменение шероховатости в процессе обработки в среде металлических шаров имеет экспоненциальный характер.
В работе В.П. Устинова /92,93/ определены условия, при которых ВиО в металлических рабочих средах обеспечивает сглаживание микронеровностей и упрочнение поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Проведены теоретические исследования энергии соударения для свободно загруженных и закреплённых деталей. Определена работа пластического деформирования при нормальном соударении металлического шара с поверхностью детали, показано, что вибрационное упрочнение приводит к заметному повышению износостойкости и контактной жесткости обработанных поверхностей, а также предела выносливости деталей за счет формирования в поверхностном слое обрабатываемого материала сжимающих остаточных напряжений. Экспериментальные исследования позволили определить давление частиц рабочей среды в различных зонах рабочей камеры, размеры следов (пластических отпечатков). Рассматриваемая работа является одной из первых в области вибрационной обработки в среде стальных полированных шаров и имеет в основном прикладной характер.
Определение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости
Как показано выше, нормальное сечение шероховатости поверхности детали после ВиОУО представляет собой совокупность следов, оставленных стальными шарами.
Таким образом, средняя линия между вершинами всех неровностей в данном нормальном сечении детали находится на том уровне, где сумма ширины всех шаров, прошедших через данное сечение детали, равна ширине обрабатываемого участка. Дальнейшие расчёты будем производить на единице длины нормального сечения детали 1ез, так как величины псеч и 1ед связаны между собой.
За расчётную глубину внедрения ht шара можно взять произведение глубины (hmax - Ц на вероятность Рвн внедрения шара с этой глубиной. Исходя из геометрической вероятности этого события, искомая вероятность Рвн равна отношению площади, ограниченной продольной траекторией данного шара при его внедрении, к площади, ограниченной продольной траекторией движения шара с максимальной глубиной внедрения .
При достаточно большом псеч (при прохождении значительного количества шаров через данное нормальное сечение детали) от суммирования можно перейти к интегрированию. Для этого выразим величину /,- через соответствующее количество шаров nh контакт которых возможен с сечением AMCD на глубину hi. При этом воспользуемся зависимостью (2.18).
Для проведения расчётов по зависимостям (2.27) и (2.28) необходимо определить величину разновысотности активных шаров Н0. К сожалению, значение Но не может быть определено экспериментально. Величина Но зависит от размеров шаров, режимов обработки и механических свойств материала обрабатываемой детали, то есть от тех же параметров, что и hmax.
Величину no определим из следующих соображений. В процессе ВиОУО поверхность детали непрерывно подвергается ударному воздействию шаров. При этом количество ударов, приходящихся на квадрат упаковки (в случае упаковки шаров на поверхности детали по квадрату) в единицу времени носит случайный характер и его невозможно функционально связать с числом колебаний рабочей камеры.. Известно, что характер протекания подобных процессов можно описать, пользуясь методами теории вероятности.
А.П. Бабичевым для процесса вибрационной обработки получена зависимость для определения геометрической вероятности события, заключающегося в том, что любая точка квадрата упаковки покрывается пятном контакта (с использованием теоретико-вероятностной схемы повторения опытов Бернулли) /7,8,37,84/:
1. Линейные размеры единичных отпечатков стальных шаров напрямую зависят от свойств обрабатываемого материала.
2. Чем тверже обрабатываемый материал, тем мельче линейные размеры отпечатков на обрабатываемой поверхности.
3. Шероховатости поверхности обработки уменьшается с увеличением числом ударов шаров, и стабилизируется на уровне при достижении 120-130 ударов.
Таким образом, полученные результаты имеют физический смысл и не противоречат установившимся представлениям о процессе ВиОУО.
Принятая модель формирования профиля установившейся шероховатости, после соответствующей экспериментальной проверки, может быть использована при технологических расчётах.
Приборы и приспособления для экспериментальных исследований
Изучение внешнего вида обработанной поверхности и измерение размеров отдельных отпечатков, фотографирование поверхности образцов осуществлялось на микроскопе стереоскопическом модели МБС-2 при увеличениях х16, х32, х56.
Измерения шероховатости поверхности осуществлялось на профилометре типа 296, запись профилограмм производилась на профилометре -профилографе модели 201 завода «Калибр».
Измерение шероховатости поверхности производится путем ощупывания алмазной иглой исследуемой поверхности и отсчета результатов измерения по шкале показывающего прибора, градуированной по параметру Ra в мкм.
Измерения величины параметра микротвердости выполнялись на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 грамм.
Скругление острых кромок исследовалось на двойном микроскопе Линника МИС-11 по специальной методике.
Контроль за изменениями геометрических размеров деталей за счет пластического деформирования исходных микронеровностей осуществлялся на универсальном инструментальном микроскопе УИМ-21.
Для анализа экспериментальных данных использовались статистические методы обработки результатов наблюдений /1,12,13,15/, так как любое значение исследуемого параметра, вычисленного на основании большого числа опытов, всегда содержит элемент случайности.
При выборе материалов образцов для экспериментальных исследований принимались во внимание необходимость изучения представителей различных групп материалов в разных структурных состояниях, имеющих широкий диапазон изменения механических свойств.
Были выбраны материалы, достаточно часто используемые в промышленности для изготовления деталей и инструмента: Инструментальные стали: У10А, У8, ХВГ, 9ХС, Х12М; Конструкционные качественные: Сталь 40Х, Сталь 45; Легированные конструкционные: 60С2.
Образцы имели различную геометрическую форму и размеры (рис.3.12. (а - г)) а также различную исходную шероховатость.
Механические характеристики исследуемых образцов определялись путем испытаний на растяжение на универсальной машине для испытаний в условиях сложнонапряженного состояния марки ЦДМУ-30. Для испытаний применялось пять групп образцов цилиндрической формы с утолщениями по концам для крепления в захваты испытательной машины. Для статистики в каждой группе материалов было 7 деталей.
Диаграммный аппарат испытательной машины записывал кривую деформации (рис.3.10.), на которой вычислялись интересующие величины прочности и пластичности ( ув, а0.2, 8, Е). Деформационные характеристики (8, у/) определялись, измеряя деформацию непосредственно на образце (после его разрушения). Размеры и форма применяемых образцов (рис.3.11.) стандартизированы (ГОСТ 1497-73).
Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) -так называемое относительное удлинение 8 (или относительное сужение \\J), характеризующее пластичность металла, определяли по формулам: = . (3-І.) — длина образца (площадь поперечного сечения) до испытаний на растяжение и длина образца (площадь поперечного сечения) после испытаний.
Появление местного сужения при растяжении образца (шейка) приводит к уменьшению условного напряжения - а - P/Fo (F0 - начальная площадь поперечного сечения). Максимальная точка (В) на кривой а - є называется временным сопротивлением или чаще теперь пределом прочности ав. Временное сопротивление или предел прочности ав вычислялся по формуле: а = PmaJFo, где: Ртах — максимальная нагрузка, необходимая для разрушения образца.
Для мягких металлов характерно наличие площадки текучести. Различают физический ат (когда есть площадка) и условный сг0.2 (когда ее нет) предел текучести и их по-разному обозначают. Характеристика, именуемая пределом текучести сго.2 (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0.2 % от длины - или другого размера - образца, изделия) определялась для твердых образцов.
Замеры твердости образцов для контроля предварительной термообработки производились на приборах ТКС-1 и ТКС-2 по методу Роквелла и на приборе типа ТБ модели ТШ -24 по методу Бринелля. Рис.3.10. Кривая деформации образцов при растяжении. do _\/_ "7 Г 1о - h / L Fe 15 мм 180 мм 200 мм 280 мм 176,625 мм2 Рис.3.11. Образец для испытаний на разрыв. В таблице 3.2. представлены механические характеристики материала, определенные экспериментально. В таблице 3.3. приведены справочные данные механических характеристик материала для сравнения с данными полученными экспериментальным путем. Механические свойства материала определялись по ГОСТ 1050-74, ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7293-79, ГОСТ 1535-71, ГОСТ 2060- 81 и дополнительно контролировались для стальных образцов по формулам: ГОСТ 22761-77: тв(МПа) = 0346-НВ(МПа). (3.3.) ат (МПа) = 0.367 -НВ(МПа)- 240. (3.4.) Проведенные исследования показали высокую сходимость экспериментальных и табличных данных по интересующим нас механическим характеристикам. Расхождение составило 12%.
Исследование формирования профиля шероховатости обработанной поверхности
Характер изменения параметров профиля микронеровностей поверхностного слоя зависит от исходной шероховатости, механических свойств обрабатываемого материала, технологических режимов обработки и характеристик рабочей среды.
Для проверки приведенных выше гипотез об изменении шероховатости поверхности деталей при ВиОУО проведена серия экспериментов на специальных образцах из конструкционных сталей 45 и 40Х. Для придания нужных механических свойств, исследуемые детали были подвергнуты термической обработке: закалка со ступенчатым отпуском.
Исследования были направлены на изучение влияния исходной шероховатости и свойств материала детали на характер изменения параметров профиля шероховатости обрабатываемого материала. Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы: 1. Анализируя внешний вид профилограмм и снимков с поверхностей обработки деталей с высокой исходной шероховатостью можно отметить следующее: На поверхностях образцов с низким отпуском, характеризуемых высокими прочностными характеристиками (рис. 4.2.2 (а, б), 4.2.13 (а)), выделяется большое число кратерообразных лунок большой глубины. При обработке таких деталей энергии удара рабочей среды не хватает для полного деформирования и удаления микронероностей, полученных на предшествующей операции. Шероховатость поверхности - высокая. Поверхности сырых образцов и с высоким отпуском (рис. 4.2.2 (г, д), 4.2.13 (в)) после обработки ровные и гладкие, следов от предшествующего микрорельефа не наблюдается. Мягкий материал в шарах обрабатывается легче, с возникновением низкой шероховатости. Поверхности образцов со средним отпуском (рис. 4.2.2 (в), 4.2.13 (б)) характеризуются незначительным количеством лунок небольшой глубины и относительно большой шероховатостью. 2. Опорная кривая профиля шероховатости на уровне Р = 10 - 30 % располагается выше, чем у исходного профиля, что позволяет прогнозировать высокие эксплутационные свойства обработанных деталей (рис. 4.2.3. - 4.2.7.). Кривые несущей части профиля деталей после ВиОУО располагается более полого к оси абсцисс, чем кривые для исходных образцов. Это объясняется не только снижением шероховатости поверхности после обработки образцов, но также значительным скруглением и притуплением микронеровностей. 3. Изменение вида корреляционной функции при ВиОУО деталей указывает на исчезновение периодической составляющей профиля шероховатости независимо от изменения Ra (рис. 4.2.8. - 4.2.12.). 4. Теоретические предпосылки к расчету шероховатости поверхности, принятые при моделировании, подтверждаются результатами экспериментальных исследований. Шероховатость обработанной поверхности является изотропной, ее параметры зависят от исходной шероховатости и определяются режимами обработки, свойствами материала и характеристиками рабочей среды.
Для комплексной проверки адекватности теоретической модели формирования профиля шероховатости поверхности при ВиОУО была проведена серия экспериментов по обработке деталей из Стали 45 в среде стальных шаров диаметром d = 8 мм.
При исследовании влияния механических свойств обрабатываемого материала на параметры установившейся шероховатости применялись режимы: А = 2.5мм, со = 26.7Гц.
В таблице 4.2.4 и 4.2.5 представлены результаты экспериментов: исходная и установившаяся шероховатость поверхности и механические свойства обрабатываемого материала.
Далее, с помощью пакета прикладных программ Mathcad 2000 professional была произведена процедура аппроксимации кривых, построенных по экспериментальным значениям (см. Таблицу 4.2.1. - 4.2.3.).
Для оценки механических свойств выбрали сочетание твердости материала с произведением предела прочности на относительное сужение. Это характеристики в полной мере отражают пластические свойства материалов. На рис. 4.2.14. - 4.2.18. представлены экспериментальные кривые изменения параметров шероховатости от времени обработки и свойств материала детали.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют отметить следующее: 1. Обрабатываемая поверхность, с точки зрения геометрических параметров, представляет собой пересечение исходной шероховатости с новыми многократно наложенными следами обработки, характерными для процесса виброударной обработки. 2. С ростом твердости, пределов прочности и текучести (при последовательном переходе от одной группы исследуемого материала к другой) среднее арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости увеличивается на образцах с исходной шероховатостью Ra = 5 - 6 мкм, и уменьшается на образцах с исходной шероховатостью Ra = 0.7 - 0.8 мкм (рис. 4.2.15.-4.2.16.).
Объяснение этому может быть следующим. У закаленных образцов, гребешки микронеровностей высотой несколько микрометров в момент соударения с обрабатывающей средой претерпевают хрупкий излом и скол без деформирования и удаления микрорельефа поверхности, полученной на предшествующей операции. В то время как поверхности мягкого материала формируются в процессе пластического деформирования, с образованием на поверхности более низкой шероховатости.
