Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований
1.1. Классификация отделочно-зачистной обработки в абразивных средах 4
1.2. Анализ физической сущности процесса отделочно-зачистной обработки деталей в свободных абразивных средах 33
1.3. Цель и задачи исследований 40
2 Методика проведения исследований
2.1. План проведения исследований 41
2.2. Общая методика проведения исследований и экспериментальное оборудование 42
2.3. Математическая обработка экспериментальных данных 49
2.4. Методика анализа профилограмм 51
3 Теоретическое исследование процесса отделочно-зачистной обработки свободными абразивными средами
3.1. Силы взаимодействия деталей и абразивных частиц 53
3.2. Влияние формы абразивных гранул, их зернистости и твердости на шероховатость обрабатываемых поверхностей и производительность обработки 56
3.3. Влияние диссипативных свойств технологической загрузки на производительность обработки 62
3.4. Теоретико-экспериментальное определение величины коэффициента затухания 65
3.5. Исследование влияния технологических и конструктивных параметров на процесс обработки и мощность, рассеиваемую в технологической загрузке 76
3.6. Влияние массы загрузки на производительность обработки и деформацию деталей 86
4. Экспериментальное исследование параметров отделочно-зачистнои обработки в реверсивном силовом поле
4.1. Исследование зависимости формирования уплотненного слоя от технологических параметров обработки 94
4.2. Расчет шероховатости поверхности аналитическим методом 97
4.3. Экспериментальные исследования технологических особенностей обработки в центробежном реверсивном силовом поле 100
4.4. Экспериментальное исследование технологических особенностей обработки в центробежпо-планетарном реверсивном силовом поле 109
4.5. Расчет производительности процесса по аналитической модели съема металла 112
4.6. Исследование зависимости производительности обработки от конструктивных и технологических параметров центробежно-планетарной установки с реверсом 117
5. Разработка технологических процессов отделочно-зачистнои обработки в реверсивном силовом поле 130
Заключение 141
Литература 143
Приложение
- Анализ физической сущности процесса отделочно-зачистной обработки деталей в свободных абразивных средах
- Общая методика проведения исследований и экспериментальное оборудование
- Влияние формы абразивных гранул, их зернистости и твердости на шероховатость обрабатываемых поверхностей и производительность обработки
- Экспериментальные исследования технологических особенностей обработки в центробежном реверсивном силовом поле
Введение к работе
Широкое применение процессов механической обработки свободными абразивными средами в различных отраслях промышленности, связанное с их универсальностью, высокой производительностью и формированием специфических свойств поверхностного слоя, позволяет существенно повышать эксплуатационные свойства деталей машин, зависящие от параметров шероховатости и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.
Современная тенденция развития отделочно-зачистной обработки (030) направлена на увеличение энергии, сообщаемой абразивным частицам и разработки кинематики движения рабочих камер, реализующей законы пространственного движения частиц технологической среды с большими градиентами скоростей по сечению или высоте камеры. Сюда относятся как вибромашины, совершающие колебания по закону конического маятника, так и вибромашины с управляемыми возбудителями винтовых колебаний. Данные способы интенсификации процесса ОЗО позволили существенно повысить производительность процесса, уменьшить параметры шероховатости Rz и Ra, сократив время обработки в 8 - 10 раз по сравнению с известными методами ОЗО. Однако общими недостатками известных способов обработки является брикетирование плоских деталей, которое приводит к блокированию обработки отдельных деталей, и расфракционирование технологической среды: легкие объемные детали «всплывают» на поверхность, а тяжелые монолитные - «погружаются» в донную часть контейнера, что мешает их контакту с абразивными гранулами. Указанные недостатки нарушают стабильность технологического процесса.
Новые технологические возможности открываются при создании реверсивного силового поля центробежных сил, позволяющего многократно увеличивать контактные напряжения в зоне взаимодействия абразивных гранул и обрабатываемых деталей и устранить расфракционирование деталей и их брикетирование.
Таким образом, исследование технологических возможностей способа и отработка конструктивных решений его реализующих, является своевременной и актуальной задачей.
Целью настоящего исследования является повышение производительности отделочно-зачистной обработки свободными абразивными средами созданием реверсивного силового поля при обеспечении заданного качества поверхностного слоя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать влияние технологических параметров ОЗО в реверсивном силовом поле на производительность процесса и параметры качества поверхностного слоя.
2. Исследовать кинематику движения рабочей среды внутри контейнера в зависимости от траектории его перемещения и определить ее влияние на производительность процесса и параметры качества поверхностного слоя.
3. Исследовать технологические возможности процесса и обосновать диапазон значений рациональных технологических параметров ОЗО в реверсивном силовом поле.
4. Разработать математическую модель удаления припуска для ОЗО в реверсивном силовом поле и оценить ее адекватность.
5. Разработать технологические рекомендации по ОЗО в реверсивном силовом поле.
Теоретические исследования базировались на фундаментальных поло-., жениях соответствующих разделов технологии машиностроения, теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования.
Экспериментальные исследования проводились на специализированных и опытно-промышленных установках, защищенных патентами. Исследуемые конструктивные и технологические параметры изменялись в технически возможных диапазонах варьирования для установления их влияния на производительность процесса и характер формирования параметров поверхностного слоя.
Обработка полученных результатов экспериментов и аналитические исследования выполнялись на персональном компьютере. Научная новизна:
1. Установлено, что технология центробежной и центробежно-планетарной реверсивной обработки в переменном силовом поле при реверсивном движении обрабатывающей среды обеспечивает существенное повышение производительности и стабильность качества обработки деталей по сравнению с другими способами 030, реализующими пространственное перемещение технологической среды с большими градиентами скорости.
2. Уточнена математическая модель зависимости съема металла от технологических параметров 030, в которую введен коэффициент затухания среды 7/, характеризующий диссипативные свойства технологической загрузки.
3. Разработаны эмпирические зависимости, позволяющие установить рациональные диапазоны технологических параметров, наиболее полно раскрывающие технологические возможности ОЗО в переменном реверсивном силовом поле.
Практическая ценность работы заключается:
- в предложенных технологических рекомендациях обработки свободными абразивными средами в переменном реверсивном силовом поле и выявлении рациональных диапазонов значений технологических факторов;
- в выполненной производственной апробации обработки в центробежно-планетарной установке с переменным реверсивным силовым полем мелких деталей малой жесткости массой 1-300гр.
Анализ физической сущности процесса отделочно-зачистной обработки деталей в свободных абразивных средах
Обработка в силовом поле центробежных сил является наиболее перспективным и производительным методом ОЗО. Технологические возможности метода охватывают широкий диапазон ОЗО от черновых, обдирочных операций до полирования.
Процесс обработки в свободных абразивных средах состоит в последовательном нанесении по поверхности обрабатываемых деталей большого числа микроударов множеством частиц рабочей среды. Основой процесса является механический и механохимический съем мельчайших частиц металла и его окислов с обрабатываемой поверхности, а также сглаживание микронеровностей пластическим деформированием частицами рабочей среды, совершающими в процессе работы колебательные движения.
Исследования показали, что абразивные частицы, контактируя с поверхностным слоем, создают в нем широкий спектр контактных напряжений, характер распространения которых и верхний предел численных значений зависят от свойств изнашивающегося материала, а также от твердости, формы, размера частиц и условий их воздействия на поверхность детали. Абра зивные частицы благодаря неровностям шероховатых поверхностей участвуют в трении и передаче нагрузки от одного трущегося тела к другому, создавая нестационарігую систему единичных фрикционных контактов. Механизм разрушения поверхностного слоя материала под действием абразивных частиц может быть существенно различным, поскольку различны уровни возникающих контактных напряжений [34...44].
Абразивное разрушение (или съём металла) поверхности твердого тела зависит от характера воздействия абразивного зерна на эту поверхность, то есть от возникающей схемы разрушающих напряжений. Один и тот же способ воздействия абразивных частиц вызывает различные схемы напряжений в хрупком и пластичном материалах.
Существуют различные виды взаимодействия абразивной частицы с обрабатываемой поверхностью: прямой удар - угол атаки а = 90, скольжение -а = 0, косой удар - 0 а 90. где U - постоянный импульс; N - нормальная сила; Р - касательная сила. Для хрупких материалов разрушение будет происходить более интенсивно при наличии больших нормальных усилий по сравнению с касательными. Переход от пластического деформирования к срезу материала осуществ ляется в условиях сухого трения при соотношении - = 0,1...0,2 (где h R глубина внедрения в поверхностный слой выступа радиусом R). Критическое значение этого соотношения для перехода от упругого к пластическому деформированию материала определяется где ат - предел текучести материала; Е - модуль упругости.
Из этого следует, что при заданном радиусе контактного выступа переход от одного вида разрушения к другому зависит от глубины внедрения выступа в поверхностный слой, что в свою очередь, определяется деформационными и фрикционными свойствами материала и нормальной нагрузки.
Срез и изгиб гребешков шероховатости происходит более интенсивно тогда, когда в момент удара абразивное зерно прижато к поверхности нормальной силой N и может перемещаться под действием касательной силы Р. Если касательная сила невелика, что соответствует большим значениям угла атаки, то работа будет затрачена на деформацию поверхностного слоя и абразивного зерна и эффект резания будет малым.
При уменьшении нормальной силы N и увеличении касательной силы Р значительная часть работы затрачивается на повышение скорости скольжения абразивного зерна по поверхности, и снятие металла также будет малым [34,35].
Процессы последеформационного разрушения не оказывают заметного влияния на съем металла, так как локальные объемы металла, подвергнутые многократному деформированию, срезаются раньше, чем число циклов деформирования превысит критическое [38].
Общая методика проведения исследований и экспериментальное оборудование
Эксперименты по изучению влияния конструктивных и технологических параметров на производительность обработки и характер формирования поверхности проводились в широком диапазоне их изменения.
При обработке деталей в переменном силовом поле центробежных сил необходимо обеспечить закон возрастания величины центробежной силы, что достигается в экспериментальной установке возрастанием частоты вращения с нулевого до n тах, что обеспечивает интенсивное изменение градиента скорости.
Одновременно происходит увеличение величины центробежной силы, что определяет контактные напряжения в зоне взаимодействия абразивных гранул и поверхности обрабатываемых деталей.
При достижении максимального числа оборотов п „ вся масса рабочей среды оказывается прижатой к вертикальной стенке рабочего контейнера, что служит сигналом для отключения электродвигателя. Время холостого хода устанавливается экспериментально. После включения реверса начинается обратный процесс, т.е. переформирования движения массы рабочей среды при её вращении в противоположную сторону от нулевого значения снова ДО n max. Циклы последовательно повторяются.
Скважность циклов реверсирования изменяется за счет задаваемой величины максимального числа оборота n тах и времени холостого хода.
Для обеспечения механизма интенсивного перемешивания контейнер совершает круговые колебания вокруг вертикальной оси, величина амплитуды колебаний может ступенчато изменяться за счет взаимного разворота двух эксцентриковых втулок от 0,4 до 10,2 мм. Дно контейнера наклонено на 5 относительно вертикальной оси, что при вращении сообщает массе рабочей среды необходимые вертикальные составляющие амплитуды, необходи мые для интенсивного разрыхления и перемешивания абразивных гранул и обрабатываемых деталей. Величина центробежной силы зависит от радиуса контейнера, поэтому в экспериментальной установке предусмотрено проведение исследований с рабочими контейнерами разного диаметра. В качестве образцов из стали 20 использовались цилиндры различной высоты 5, 10 и 32,5 мм диаметром 20 мм массой 12, 24 и 80 грамм соответственно с различной исходной шероховатостью поверхности. Для черновой обработки использовались стальные образцы с исходной шероховатостью Ra= 12,5; для чистовой обработки исходная шероховатость стальных образцов составляла Ra= 3,0 мкм. Образцы из латуни ЛС59-1 диаметром 14x35 мм массой 40 г имели исходігую шероховатость Ra= 0,8 и для тонкого полирования Ra= 0,5 мкм. В качестве плоских образцов использовались пластины 20x20 мм толщиной 2 мм из стали 20 и 1Х18Н9Т с исходной шероховатостью Ra= 6,3 мкм. В качестве абразивных гранул использовались трехгранные призматические тела с величиной грани 5 и 15 мм ПТ 5 и ПТ15 производства Московского абразивного завода. Рабочая жидкость - 3% водный раствор кальцинированной соды (ЫагСОз), который заливался в каждом эксперименте в количестве равном Уз от объема абразивного наполнителя.
Производительность обработки оценивается величиной съёма металла в единицу времени. Время обработки составляло 30 мин. В экспериментах, связанных с изучением формирования поверхностного слоя и для оценки воспроизводимости опытов, производилась дополнительная обработка в течение ещё 30 мин., что в сумме составляло общее время обработки 60 мин. Съём металла определялся разностью массы образцов до и после обработки. Все образцы имели индивидуальные номера, что исключило возможность ошибки. Взвешивание производилось на аналитических весах 2-го класса типа АДВ-200. Профилограммы поверхности записывались с помощью профи-лографа-профилометра мод.201 завода «Калибр» типа А1 с увеличением 40x1000.
Исходя из априорной информации [96], установлено, что наибольшее влияние на производительность процесса и формирование параметров поверхности оказывают частота оборотов, амплитуда колебаний, диаметр рабочего контейнера и суммарная масса технологической загрузки. Таким образом, задача свелась к определеншо максимального числа оборотов рабочей камеры, величины эксцентриситета, скважности режима реверсирования, влияния диаметра рабочего контейнера и объема загрузки абразивного наполнителя по отношению к объему контейнера. С учетом обозначенных параметров были спроектированы и изготовлены две экспериментальные установки.
Первая установка с реверсируемым вибрационным приводом [22], принципиальная схема которой представлена на рисунке 2.1, состоит из рамы с регулируемыми опорами, на раме при помощи амортизаторов и пружин закреплен электродвигатель постоянного тока типа ПСТ-53МУ. На раме находится блок пульта управления. Пульт управления состоит из автотрансформатора мод. АОСН-20-220-75УХЛ4, диодного выпрямителя, магнитного пускателя, трансформатора мод. С-0,097, движка с трехгранным кулачком и контакторов (на схеме не показаны).
На выходном валу двигателя 4 напрессована эксцентриковая втулка 3 со шпонкой и углом наклона 5 градусов относительно оси вала двигателя. На втулке базируется контейнер 1, закрепленный на фланце с подшипниками качения 2. Подшипники напрессованы на втулку с отверстием, ось которого расположена эксцентрично относительно наружного диаметра втулки, что суммарно создает двойной эксцентрик. На втулке находится 7 радиусных канавок, тем самым, позволяя регулировать величину эксцентриситета, за счет взаимного фиксированного поворота одной эксцентриковой втулки относительно другой. Крутящий момент передается от шпонки, входящей в зацепление с радиусной канавкой, и обеспечивает вращение рабочему контейнеру. До включения привода контейнер, благодаря наличию подшипника качения, может свободно вращаться вокруг своей оси. После включения электропривода, контейнеру сообщаются круговые колебания. По мере возрастания центробежных сил, силы трения, возникающие в узле привода, вовлекают контейнер во вращательное движение с возрастающей частотой. Так как колебания контейнера и его вращение происходят с одинаковой частотой п, то суммарное движение в системе является планетарным. Реверсивное вращение рабочего контейнера обеспечивается электрической схемой установки, которая позволяет устанавливать время разгона до максимального значения центробежной силы, отключение, время паузы и включения реверса 5, 6. Технологическая характеристика: — частота вращения двигателя, об/мин - 0-780; — объем емкости, л -9,8; 38,3; — максимальная выдержка времени между реверсами, с -4; — угол наклона оси емкости относительно оси двигателя, град. -5; — объем абразива в емкости, кг. - 4 -10; — эксцентриситет, мм. - 0,4; 1,2; 3,7; 5,9; 7,1; 8,3; 10,2. В начальный момент, после запуска электропривода 4 с эксцентриком 3 на валу, контейнер 1, совершая круговые колебания, постепенно разгоняет ся до заданной частоты оборотов n max, в результате чего смесь абразива и деталей уплотняется под воздействием центробежных сил, а круговые колебания по мере возрастания частоты оборотов электропривода 4 с эксцентриком 3 на валу и контейнера 1 постепенно синхронизируются. В момент достижения заданной частоты оборотов n тах командное устройство 5, реверсирует обороты электропривода 4 с эксцентриком 3, тогда как контейнер 1 продолжает по инерции вращаться в прежнем направлении. Благодаря встречному вращению электропривода 4 с эксцентриком 3 частота оборотов контейнера 1 постепенно снижается сначала до нуля, а затем контейнер 1 постепенно набирает скорость и при синхронизации оборотов электропривода 4 с эксцентриком 3 и контейнера 1, частота круговых колебаний контейнера 1 становится равной заданной, т.е. n тах, но уже в противоположном направлении. В связи с этим командное устройство 5, 6 снова реверсирует обороты электропривода 4 с эксцентриком 3 и процесс многократно повторяется.
Влияние формы абразивных гранул, их зернистости и твердости на шероховатость обрабатываемых поверхностей и производительность обработки
Для построения математической модели съема металла, рассмотрим взаимодействие единичной абразивной гранулы произвольной формы с обрабатываемой поверхностью. На рисунке 3.3 показана единичная абразивная гранула (частица), радиусом описанной окружности гч, имеющая массу т, условно принятая шестигранной формы с углом при вершине единичного выступающего зерна у и радиусом р, двигающаяся (скользящая или катящаяся) внутри камеры радиусом R, с угловой скоростью ю. где ро - абсолютный радиус вращения частицы, расстояние от неподвижного центра О до её центра тяжести (О ). Материал абразивной частицы имеет динамический угол трения скольжения с материалом обрабатываемой детали или поверхностью камеры - ДсК. Не нарушая общности рассуждения, рассмотрим поверхность детали, прижатой к внутренней поверхности камеры. Тогда, проведя вектор абсолютной силы Fa6c через центр тяжести абразивной частицы под углом \ІСК к нормали внутренней поверхности камеры (детали), получим очевидное соотношение. Если вершина абразивного зерна К (точка его касания поверхности камеры) образует угол Z 0;КО/7 между лучами КО7 и КО/; больше или равный UcK, то абразивная частица будет скользить по поверхности детали, а, если z О КО77 цск, то частица будет катиться, вращаясь относительно своего центра тяжести. Из треугольника 07КО/; по теореме синусов: где Yo - угол с вершиной в центре камеры (У между лучами (У О" и (УК; Гщ- - расстояние от центра камеры (У до ЦТ частицы О11. Из рисунка 3.3 находим: где 8 - длина опорной грани абразивной частицы. Подставляя (ЗЛО) в (3.9) получим граничное условие перехода от скольжения к качению абразивной частицы: Тогда из (3.11) динамический угол трения качения р.кач можно выразить: Следовательно, чем меньше длина опорной грани абразивной частицы, при одинаковых наружных диаметрах (d=2r4), т.е. чем больше его форма стремится к шару, тем меньше динамический угол трения качения. Когда граненая абразивная частица катится но обрабатываемой поверхности, съём металла будет происходить в точках соприкосновения его вершин с этой поверхностью под действием радиальной силы FN, которая углубляет вершину в материал на глубину h.
Под действием касательной силы FT, уравновешиваемой силой трения Еф частица будет перемещаться, оставляя на поверхности лунки с шагом t равным длине грани 8. Величина скорости будет определяться выражением: V = a)ir4 = G)(R-r4), (3.13) где (О;- угловая скорость ее вращения вокруг центра тяжести (ЦТ), О1 ; гч - радиус описанной окружности граненой абразивной частицы; R- радиус камеры; (о - угловая скорость вращения центра тяжести абразивной частицы вокруг оси камеры, Oj. Т.к. радиус гранулы значительно меньше радиуса камеры, то в дальнейших расчетах, связанных с качением и скольжением частиц, допустимо использовать значение радиус камеры. Съем материала с поверхности будет происходить во время выхода вершины абразивного зерна из образовавшейся лунки при повороте вокруг точки опоры. Площадь сечения лунки S связана с пределом текучести и силой прижатия соотношением: где ат - напряжение текучести обрабатываемого материала; FN - радиальная сила, нормальная к поверхности обработки; В соответствие с рисунком 3.3, принимаем площадь сечения лунки треугольной с углом при вершине у и радиусом р(рисунок 3.4).
Экспериментальные исследования технологических особенностей обработки в центробежном реверсивном силовом поле
Эксперимент по определению зависимости съема металла от технологических параметров обработки проводился в экспериментальной установке, описанной в гл.2 (рис. 2.1, 4.4), в установленном диапазоне значений тип. Обработка велась абразивными гранулами ПТ15 из электрокорунда белого зернистостью 12 на керамической связке. Технологическую среду засыпали в рабочий контейнер о400мм и Н=300мм, в количестве 25-30% его объема.
Переменное силовое поле в реверсивных центробежных устройствах [22], характеризуется несколькими фазами формирования состояния технологической загрузки.
Схематично фазы формирования технологической загрузки и характер изменения переменного силового поля показаны на рисунке 4.5.
При пуске установки вращение контейнера постепенно увеличивается до максимального заданного числа оборотов nmax. Технологическая среда под действием центробежной силы расплющивается по стенке контейнера (фаза 1), как показано на рисунке 4.5а. Достижение значения nmax служит сигналом для командного устройства на отключение электродвигателя. Интервал меж ду отключением электродвигателя и его включением в реверсивном режиме задается командоапаратом. После включения электродвигателя в противоположном направлении контейнер ещё некоторое время вращается по инерции (рисунок 4.5 б) при этом сыпучая среда постепенно осыпается со стенок на дно контейнера (фаза 2). Фаза 3 (рисунок 4.5 в) характеризует переходные состояния, когда преобладают горизонтальные колебания, контейнер уже изменил направление вращения за счет сил трения возникающих по мере возрастания центробежных сил, но их величина ещё недостаточна для прижатия частиц загрузки к стенкам контейнера. Такое состояние сыпучей среды носит характер «кипя щего слоя» и представляет самостоятельный интерес для исследования, как один из технологических режимов обработки.
Дальнейшее увеличение числа оборотов приводит к постепенному прижатию и расплющиванию частиц сыпучей среды к стенкам контейнера -фаза 4, которая отличается от фазы 1 только направлением вращения (рисунок 4.5 г). При достижении числа оборотов nmax, снова срабатывает командное устройство и цикл повторяется.
В экспериментах длительность по фазам 1-2-3-4 составляла соответственно 5-3-3-5 секунд, т.е. 8 с. в одну сторону, включая движение по инерции, 3 - переформирование слоя и 5 с. в противоположную. При обработке в режиме «кипящего слоя» цикл составляет 8 с: 2 с. в одном направлении, включение реверса, 2 с. движение по инерции, 2 с. - переформирование и 2 с. движение в противоположном направлении движения, затем снова включение реверса и цикл повторяется. Полученные экспериментальные значения диапазонов изменения частоты оборотов полностью подтверждают теоретическое обоснование, а длительность цикла 5 с, заложенная в командоаппарат, полностью охватывает весь диапазон времени формирования уплотненного слоя. Результаты исследований съема металла в зависимости от числа оборотов и амплитуды колебаний в центробежной установке с реверсом представлены в таблице 4.3 и показаны графически на рисунке 4.6 для стальных образцов и на рисунке 4.7 для образцов из латуни.
В исследуемом диапазоне изменения параметров процесса все зависимости были близки к линейным, что наглядно демонстрируется кривыми на графиках.
