Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи исследований 7
1.1 Сущность и технологические возможности гидроабразивной обработки 7
1.2 Обзор работ в области исследования гидроабразивной обработки 23
1.3 Выводы. Цель и задачи исследований 34
2 Теоретические исследования технологических параметров процесса гидроабразивной обработки ... 35
2.1 Анализ процесса единичного взаимодействия частиц рабочей
среды с поверхностью детали 35
2.2 Методика расчета удаления металла 54
2.3 Формирование профиля установившейся шероховатости 59
2.3.1 Геометрическая схема образования профиля установившейся шероховатости 59
2.3.2 Определение параметров установившейся шероховатости 62
2.4 Определение времени обработки 72
2.4.1 Удаление дефектного слоя 73
2.4.2 Достижение установившейся шероховатости 74
2.4.3 Изменение шероховатости поверхности 75
2.4.4 Удаление заусенцев и облоя 77
2.4.5 Скругление острых кромок 78
3 Методика проведения экспериментальных исследований 81
3.1 Технологическое оборудование 81
3.2 Приборы и приспособления для экспериментальных исследований 83
3.3 Выбор материалов для образцов 87
3.4 Рабочие среды и технологические жидкости 90
3.5 Методика определения интенсивности потока частиц X 91
3.6 Методика определения шероховатости поверхности 92
3.7 Методика определения съема металла 93
3.8 Методика определения величины коэффициента, учитывающего расстояние до обрабатываемой детали 94
3.9 Методика определения величины коэффициента, учитывающего угол обработки поверхности детали 94
3.10 Исследование скруглення острых кромок 95
3.11 Обработка экспериментальных данных 96
4 Экспериментальные исследования процесса гидроабразивной обработки 98
4.1 Определение интенсивности потока частиц X 98
4.2 Определение коэффициента KL, учитывающего влияние расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности детали 101
4.3 Определение коэффициента, учитывающего угол падения. струи 106
4.4 Исследование процесса формирования установившейся шероховатости поверхности при гидроабразивной обработке 110
4.5 Исследование процесса съема металла при гидроабразивной обработке 124
4.6 Исследования радиуса скруглення острой кромки 129
5 Оптимизация процессов гидроабразивной обработки 134
5.1 Методические вопросы оптимизации 134
5.2 Общая структура САПР ТП 138
5.3 Параметрическая оптимизация технологических операций 142
5.4 Промышленная реализация результатов исследований и технико- экономическая эффективность обработки свободными абразивами 145
Общие выводы и рекомендации 147
Список литературы 148
Приложения
- Обзор работ в области исследования гидроабразивной обработки
- Формирование профиля установившейся шероховатости
- Приборы и приспособления для экспериментальных исследований
- Определение коэффициента KL, учитывающего влияние расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности детали
Введение к работе
В современном машиностроении основное влияние на качественные и эксплуатационные показатели деталей оказывают финишные операции. Задача повышения качества" продукции связана с совершенствованием известных и разработкой новых, эффективных методов финишной обработки, среди которых ведущее место занимают методы абразивной обработки. Абразивная обработка позволяет обеспечить требуемые точность и качество деталей при высокой производительности, а также высокую надежность и долговечность машин в процессе эксплуатации, поэтому роль абразивных операций в современном машиностроении непрерывно возрастает.
Разработка и внедрение новых технологических процессов абразивной обработки подчинены общей задаче дальнейшего повышения качества изделий при обеспечении высокой эффективности производства.
Гидроабразивная обработка является одной из разновидностей-обработки деталей свободными абразивами, позволяет обрабатывать фасонные детали, которые нельзя обрабатывать на< станках. Данный вид-обработки получил не очень широкое распространение вследствие его малой изученности.
К настоящему времени в результате проведенных различными авторами исследований гидроабразивной обработки, а также исследований в смежных областях выявлены основные технологические возможности гидроабразивной обработки, определены основные элементы конструктивных параметров станков. Вместе с тем, обширен круг нерешенных вопросов, которые сдерживают широкое внедрение процесса в производство: отсутствуют теоретические модели формирования шероховатости поверхности при гидроабразивной обработке, съема металла, не разработана методика выбора и расчета технологических параметров.при решении различных технологических задач, отсутствует методика оптимизации технологических процессов.
Решению вышеперечисленных вопросов посвящена эта работа.
В представленной диссертационной работе проведены теоретичесісие исследования процесса гидроабразивной обработки. Дан анализ единичного взаимодействия частицы обрабатывающей, среды с поверхностью детали. Проведен анализ формирования* профиля шероховатости обработанной поверхности. Исследован съем металла* за один удар абразивной гранулы и общий съем металла! с поверхности детали. Получена зависимость для определения-среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости поверхности, учитывающая режимы обработки и свойства материала обрабатываемой детали.
Проведены комплексные экспериментальные исследования процесса, позволяющие установить влияние технологических режимов обработки на величину и время достижения установившейся шероховатости поверхности заготовок, из различных материалов, съем металла с поверхности детали.
В, ходе теоретических и экспериментальных исследований. сформирован банк данных коэффициентов, которые учитывают влияние угла обработки, расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности, давления струи на формирование шероховатости поверхности и съем металла с поверхности детали.
По результатам экспериментальных исследований установлена адекватность полученных теоретических зависимостей.
Разработана методика выбора и расчета оптимальных технологических параметров процесса и прогнозирования результатов обработки.
Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Донского государственного технического университета.
Обзор работ в области исследования гидроабразивной обработки
Несмотря на высокую производительность, метод гидроабразивной обработки на сегодняшний день изучен недостаточно, что в значительной степени сдерживает его применение. Существующие сведения о закономерностях процесса являются весьма разрозненными и не позволяют сформировать эмпирические зависимости для определения основных параметров качества обработки при данном методе. В работах посвященных изучению метода ГАО, как правило, исследуется один или несколько технологических параметров, которые оказывают наибольшее влияние на процесс обработки. На основе изученной литературы можно сделать вывод, что таковыми являются скорость струи, зернистость абразива, угол наклона струи, расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности.
К настоящему времени выполнено некоторое количество работ посвященных изучению процесса гидроабразивной обработки, исследованию его основных закономерностей и технологических возможностей.
Наибольший интерес в области изучения метода гидроабразивной обработки представляют работы Непомнящего Е.Ф., Проволоцкого А.Е., Шманева В.А., Шулепова А.П., и др. [60, 70, 101] Эти работы посвящены изучению сущности метода гидроабразивной обработки, в некоторых приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических параметров процесса на съём металла и шероховатость обработанной поверхности.
Билик Ш.М. [8] показал, что при малой скорости струя жидкости, направленная на поверхность металла в течение короткого промежутка времени, не оставляет на ней заметного следа. Это воздействие не может быть обнаружено даже взвешиванием образца, так как износ поверхности не имел места. Если ту же поверхность подвергнуть действию струи кварцевого песка, имеющей такую же малую скорость и в течение такого же промежутка времени, обнаружим на металле углубление. При этом взвешиванием образцов может быть установлено количество металла, унесенного струей. Направленная на аналогичные образцы струя суспензии, состоящей из жидкости и кварцевого: песка (или частиц; другого абразива), при тех же режимах и времени обработки оставит на поверхности металла большие углубления, и количество металла; унесенного струей, значительно возрастает;....
Трение между водой и абразивными зернами: больше, нежели между воздухом и этими же зернами. Поэтому при прочих равных условиях посредством воды удается придать абразивным .частицам большие скорости, чем непосредственно воздухом. ."
Размеры абразивного зерна,!ііа следовательно его "масса, не могут. выбираться произвольно- поэтому величина кинетической энергии - режущей частицы практически зависит исключительно от скорости;
В работе Непомнящего Е. Ф. [61] был описан процесс взаимодействия частицы с обрабатываемой поверхностью. Он предположил что при встрече под некоторым углом с разрушаемой поверхностью твердая частица внедряется и проходит при этом некоторое расстояние по поверхности. Скользя, частица последовательно деформирует несколько единичных участков поверхности. Если под единичным участком понимать пятно контакта частицы с изнашиваемым телом, то каждый удар частицы будет приводить в общем случае к нескольким актам воздействия (но на разных участках). Так как размер пятна контакта меняется в процессе взаимодействия частицы с поверхностью, то он естественно будет характеризоваться определенным спектром, даже если все частицы сферические, одинакового радиуса и массы, а также сталкиваются с поверхностью под одним углом і ІИ с одинаковой скоростью.
По мнению И. Р. Клейса [101], при взаимодействии абразивных частиц с материалами происходят следующие изменения. 1. Изменение микро и макрогеометрии поверхности. В результате упруго-пластической деформации на обрабатываемой поверхности уже в начале процесса остаются характерные лунки, от которых у пластичных материалов могут образоваться характерные волны, фронт которых ориентирован перпендикулярно к проекции вектора скорости удара. 2. Изменение напряженного состояния детали. 3. Структурные и фазовые изменения в поверхностном слое детали. 4. Разрушение абразивных частиц. 5. Перенос абразивных, .материалов, который наблюдается при высоких давлениях и температурах в процессе удара.
Формирование профиля установившейся шероховатости
Правильное построение геометрической схемы, отражающей механизм взаимодействия свободных абразивов с поверхностью детали, позволяет установить качественное влияние различных факторов на процесс формирования шероховатости обработанной поверхности и получить адекватные теоретические зависимости [19,31,48,91,96].
В процессе обработки происходит перекрытие царапин, оставленных абразивными частицами, в результате чего ширина контакта каждой частицы с обрабатываемой поверхностью неодинакова, а края царапин расположены на различном уровне (рисунок 2.2). Схема образования профиля установившейся шероховатости при обработке свободными абразивами, с учетом неполных срезов металла,1 совершаемых абразивными частицами, аналогична схемам образования шлифованной поверхности, предлагаемым Ящерицыным П.И. [105], Королевым А.В. [40].
Величина Но соответствует глубине залегания половины из всех царапин, измеренной от дна наиболее глубокой царапины, при условии, что функция распределения глубин царапин в начальной части была справедлива для слоя царапин.
В работе [40], для описания процесса образования профиля шероховатости поверхности при шлифовании и других видах абразивной обработки, в качестве критерия предлагается параметр Н , названный "условная высота неровностей обробатываемой поверхности", и рассматривается методика определения стандартных параметров шероховатости поверхности при его использовании.
Учитывая общие особенности взаимодействия абразивного инструмента с поверхностью детали, введем аналогичный критерий для гидроабразивной обработки. Пусть.в процессе обработки через нормальное сечение профиля шероховатости поверхности детали прошло некоторое количество абразивных частиц. Каждая /-ая частица оставляет царапину глубиной ai и шириной br Царапины от частиц частично перекрывают царапины от предыдущих частиц, при этом частицы осуществляют неполные срезы. При этом происходит постепенное смещение профиля, в процессе которого удаляются выступы исходной шероховатости. При формировании профиля установившейся шероховатости (рисунок 2.2) его впадины представляют собой дно наиболее глубоких царапин, а выступы образуются пересечением боковых сторон царапин от отдельных частиц.
Под условной высотой микронеровностей обработанной поверхности будем понимать расстояние от средней линии AM, проведенной между вершинами неровностей в нормальном сечении детали, до уровня самых глубоких впадин, имеющихся на этой поверхности CD. При этом, учитывая, что края царапин от частиц примерно равномерно смещаются вверх и вниз от линии AM, за глубину внедрения зерен в данном поперечном сечении будем принимать глубину, отсчитанную от этой линии.
Учитывая экспоненциальный характер изменения высотных параметров шероховатости поверхности детали при обработке свободными абразивами [5,7,30,59,88,93], можно разработать математическую модель изменения значений этих параметров в зависимости от времени обработки. Для получения такой модели необходимо прежде всего разработать методику расчета установившейся шероховатости для конкретных значений исходных данных (технологических факторов), что позволит определить асимптоту экспоненциальной функции Ra = f(t).
В действительности за счет перекрытия царапин по ширине, вершины неровностей смещаются вверх и вниз от линии AM, а так как они смещаются от этой линии примерно равномерно вверх и вниз, то эту линию можно рассматривать как среднюю между вершинами всех неровностей.
Таким образом, средняя линия между вершинами всех неровностей в данном нормальном сечении детали находится на том уровне, где сумма ширины всех частиц, прошедших через данное сечение детали, равна ширине обрабатываемого участка. Дальнейшие расчеты будем производить на единице длины нормального сечения детали, так как величины zce и Ьед связаны между собой.
При достаточно большом значении zce4 (при прохождении нескольких частиц через данное нормальное сечение детали) от суммирования можно перейти к интегрированию. Для этого выразим величину И; через соответствующее число зерен z{, контакт которых возможен с сечением AMCD на глубине ht.
Приборы и приспособления для экспериментальных исследований
Для измерения и контроля различных параметров работы оборудования, характеризующих протекание процесса гидроструйной обработки, применялись следующие приборы и приспособления.
Программа выдает ряд характеристик поверхности: Ra (среднеарифметическое отклонение), Rz (высота неровности по 10 точкам), Rmax (максимальная высота неровностей), Rp (высота максимального выступа), Rv (глубина максимальной впадины), Sm (средний шаг неровности), S (средний шаг местных выступов), Да (среднеарифметический наклон профиля), Aq (среднеквадратичный наклон профиля), 1о(относительная длина профиля), Rq (среднеквадротичное отклонение), Lo (длина растянутого профиля), Хя (средняя длина волны), Aq (среднеквадратичная длина волны).По результатам обработки строится график плотности распределения ординат и график опорной кривой.
Взвешивание образцов для определения величины съема металла выполнялось на аналитических весах модели АД-200 с точностью измерения до 0.2 мг (рисунок 3.4). Рисунок 3.4 - Весы аналитические модели АД - 200 Было спроектировано приспособление позволяющее удобно и надежно удерживать образец во время обработки (рисунок 3.5, 3.7). Приспособление представляет собой диск 0100x30мм. с углублением в центре 040x15мм. для установки образца. Для удобства вынимания образца, в центре приспособления, сделано сквозное отверстие 020мм. Во время обработки приспособление с образцом удерживается рукой.
При выборе материалов образцов для экспериментальных исследований принимались во внимание проверка универсальности теоретических моделей и возможности широкого применения результатов исследований для обработки деталей из машиностроительных материалов, которые наиболее часто используются в промышленности, а также материалов, используемых в авиастроении.
Экспериментальное определение величины интенсивности потока X осуществляется по следующей методике. На гидроструйной установке производилась обработка образцов, представленных на рисунке 3.8.
Материалы образцов: алюминиевый сплав Діб, сталь 45, Медь МОб, сталь 12Х18Н10Т. Обработка производилась струей под углом 45, на расстоянии L=60 мм от края сопла до обрабатываемой поверхности, кварцевым песком вдоль поверхности образца.
До и после обработки производилось профилографирование поверхности детали. После измерения величины съема металла с поверхности детали Q, с помощью зависимости (2.28) рассчитывалась величина 1..
Далее, при тех же условиях, производилась обработка образцов до появления; на поверхности профиля установившейся шероховатости Кауст, после чего определялась, величина? X с помощью зависимости (2:47); Полученные первым и вторым методом значения X сравнивались между собой.
Исследование шероховатости; поверхности проводилось при обработке цилиндрических образцов из меди МОб, латуни;ЛЄ 59-1, алюминиевого сплава Діб, стали 45, стали 40Х, стали ХВГ и стали 12X18Н1 ОТ с различной исходной шероховатостью. : м- .иім : В рабочей камере установки обрабатывалось последовательно; по 4 образца из каждой группы материалов. Использовались следующие режимы: - расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности 30, 60- 90, 120мм; - давление струи 1у2,3 4 ;бар; . - угол 20 45, 65 градусові
Через определенный промежуток времени (кратный 30 сек.) обработка прерывалась, промывались и сушились. Далее проводилось 5 замеров шероховатости поверхности образцов на профилометре. Образцы- снова помещались в камеру установки и их обработка продолжалась до появления на поверхности установившейся шероховатости:
Данные полученные в ходеЯэкспериментов сводились в таблицы, на основе которых затем; строились зависимости Щ (), Щ (а), Щ(Р)"... После этого проводилось сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований и формировался банк данных коэффициентов, учитывающих влияние режимов обработки на качество поверхностного слоя.
Для исследования процесса съема металла с поверхности детали использовались цилиндрические образцы из меди МОб, латуни ЛС 59-1, алюминиевого сплава Діб, стали 45, стали 40Х, стали ХВГ. В рабочей камере установки обрабатывалось последовательно по 4 образца из каждой группы материалов.! Использовались следующие режимы: - расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности 30, 60, 90, 120 мм; - давление струи 1, 2, 3, 4 бар; - угол 20, 45, 65 градусов
Через определенный промежуток времени (кратный 30 сек.) обработка прерывалась, образцы промывались и сушились. Далее образцы взвешивались на аналитических весах. После чего образцы снова помещались в камеру установки и их обработка продолжалась до установившейся шероховатости поверхности и последующего фиксирования повторения количества съема металла.
Данные сводились в таблицы, на основе которых затем строились зависимости Q(L), Q(a), Q(P). После этого проводилось сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований и формировался банк данных коэффициентов, учитывающих влияние режимов обработки на количество съема металла. ,"1, 3.8= Методика определения величины коэффициента Ki, учитывающего;расстояние до обрабатываемой детали Экспериментальное определение величины коэффициента KL осуществляется по следующей методике. На гидроструйной; установке производилась обработка образцов, представленных на рисунке 3.9. Материалы образцов: алюминий Діб и сталь 45. Обработка производилась струей под углом 90 кварцевым песком; вдоль поверхности образца. Расстояние L от края сопла до обрабатываемой поверхности» менялось следующим образом:: 30, 60 90 и; 120 мм. После обработки; производилось профилографирование обработанной поверхности детали. После измерения величины съема металла с поверхности; детали Q-, с помощью зависимости (2.28) рассчитывалась величина KL Q.
Далее, при тех же условиях, производилась обработка образцов до появления на поверхности профиля; установившейся шероховатости Raycm, после чего определялась величина KLRa с помощьюзависимостей (2.47).
Экспериментальное определение величины коэффициента Кр осуществляется по следующей методике. На гидроабразивной; установке производилась обработка образцов, представленных на рисунке 3.9.
Материалы образцов: латунь JIG 59-1 и сталь 12X18Н1 ОТ. Обработка производилась на расстоянии Z,=60 мм от края сопла до обрабатываемой поверхности, кварцевым песком вдоль поверхности образца.
Угол падения- струи менялся следующим; образом:: 20, 45 , 65 . После обработки производилось профилографирование обработанной- поверхности детали. После измерения величины съем металла с поверхности детали Q, с помощью зависимости (2.28) рассчитывалась величина KpQ.
Определение коэффициента KL, учитывающего влияние расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности детали
Очевидно что расстояние до обрабатываемой поверхности детали влияет на эффективность обработки, причем это влияние невозможно учесть теоретически, потому что с одной стороны изменяется скорость струи с другой, стороны проявляется1 эффект экранирования, самими частицами, поэтому проведены исследования по определению коэффициента учитывающего влияние расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности детали.
Величина KL определялась-сравнением значений съема металла Q, а также сравнением значений установившейся шероховатости поверхности Raycm при различных расстояниях до поверхности детали, полученных в результате экспериментальных исследований, с их значениями полученными по теоретическим зависимостям (2.28, 2.47).
Анализируя результаты экспериментального исследования коэффициента KL, можно сделать следующие выводы: 1. Результаты, определения коэффициента потерь KL по съему металла говорят о его физическом смысле. При увеличении расстояния, от среза сопла до поверхности детали скорость соударения снижается на величину KL. 2. Снижение установившейся шероховатости при уменьшении расстояния L до поверхности детали вполне подтверждает сделанное нами в главе 2 предположение о том, что при обработке с расстояния менее 60 мм. эффект «экранирования» снижает энергию взаимодействия частиц с поверхностью. 3. С учетом проведенных экспериментальных исследований, а также априорной информации [67,81] и производственного опыта ОАО «Роствертол» для практических расчетов целесообразно принять максимальную величину коэффициента влияния расстояния KLQ = 1 при соответствующей длине струи =60-мм (см: рис. 4.2); при L=30 KLQ= 0,98; при Z=90 KLQ = 0,98; при Z=120 KLQ = 0,87. 4. При изменении расстояния от среза сопла до поверхности детали необходимо учитывать изменение скорости потока частиц и размеров факела, либо соответственно корректировать динамическое давление струи. 5. Величина коэффициента KL не зависит от обрабатываемого материала. 6. Расхождение значений коэффициентов KL, " полученных измерением среднего арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости Raycm не превышает 10%, что подтверждает адекватность зависимостей (2.28) и (2.47). 7. Полученая величина KL от съема металла и от установившейся шероховатости разная из-за того что съем металла зависит от глубины внедрения и количества ударов частиц, а установившаяся шероховатость только от глубины внедрения частиц и не зависит от количества;
Очевидно что угол падения струи на обрабатываемую поверхность детали влияет на эффективность обработки, причем это влияние невозможно учесть теоретически, потому что проявляется эффект экранирования самими частицами, поэтому проведены исследования по определению коэффициента учитывающего влияние углаг падения струи на обрабатываемую поверхность детали;
Величина Ка определялась сравнением значении съема металла Q., а: также сравнением значений установившейся шероховатости поверхности Raycm_ при различных углах обработки поверхности детали, полученных в результате экспериментальных исследований, с их значениями полученными по теоретическим зависимостям (2.28, 2.47).
1. С учетом; проведенных экспериментальных исследований, а также априорной информации [67,81] и производственного опыта: ОАО «Роствертол» для практических расчетов целесообразно принять для расчета съема металла при угле обработки 20Ка =0;3; при угле 45Ка =0,2; при;угле 65 Ка =0;3: (см; рис. 4.3); Для? расчета, установившейся шероховатости поверхности при угле обработки 20Ка =1,5; при угле;45Ка =1,1; при угле; 657 =0,9(см:рис:4і4):, 2. Величина коэффициента Ка не зависит от обрабатываемого; материала.. «
3. Расхождение значений коэффициентов1 Ка, полученных, измерением : среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости Raycm ш средней величины съема металла Q не превышает 10%, что подтверждает адекватность зависимостей] (2.28) и (2.47)..
