Содержание к диссертации
Введение
I. STRONG Состояние вопроса и постановка задач исследований
STRONG 1.1. Вибрационная ударно-импульсная обработка (ВиУИО), сущность, особенности, технологические возможности и область применения Ю
1.2. Обзор исследований в области обработкидеталей свободно-движущимися частицами 15
1.3. Анализ выполненных исследований,. ВиУИО 32
1.4. Цель и задачи исследований '. 34
II. Теоретические исследования виерационной ударной обработки деталей 36
2.1. Анализ соударения единичной частицы с обраба-
тываемой поверхностью,
2.1.1. Математическая модель деформирования поверхностного слоя. 36
2.1.2. Определение параметров пластической деформации при многократном сударении -частицы 51
2.1.3. Влияние шероховатости поверхности на степень упрочнения и глубину пластически деформированных зон 56
2.2. Теоретико-вероятностная модель ВиУИО 58
2.3. Обоснование критерия эффективности воздействия частиц рабочей среды на обрабатываемую поверхность 63
2.4. Определение параметров микропрофиля, формируемого на поверхности при ВиУИО. 66
2.5. Анализ распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, вызванных ВиУИО 7б
2.6. Оценка влияния ВиУИО на-усталостную прочность деталей , 86
III. Методика эксперймшталшых исследований
3.1. Экспериментальные устройства, приспособления и приборы 92
3.2. Образцы и рабочие среды... 101
3.3. Методика исследований влияния исходной шероховатости на процесс и параметры деформации по^ верхностного слоя 105
3.4. Методика кинематических исследований процесса ВиУИО 107
3.5. Методика исследований интенсивности и критерия эффективности воздействия частиц рабочей среды на обрабатываемую повёрхность 109
3.6. Методика исследований характеристик качества поверхностного слоя и усталостной прочности III
IV. Эксперимжгалшые исспещованж процесса виуио и её віияния на шество поверхности и усталостную прочность деталей
4.1. Исследование соударения единичной частицы рабочей среды с шероховатой поверхностью
4.1.1. Влияние жсходнои шероховатости на характер и силовые факторы контакта... 113
4.1.2. Влияние исходной шероховатости на параметры пластической деформации поверхностного слоя 122
4.1.3. Анализ влияния технологических факторов на процесс деформирования поверхностного слоя 129
4.2. Кинематические исследования процесса ВиУИО... 136
4.2.1. Определение момента отрыва и начальной скорости полета частиц 136
4.2.2. Исследование характера" перемещения рабочей среды в процессе БиУИО 146
4.2.3. Обоснование условия согласованного режима работы устройства для ВиУИО 159
4.2.4. Интенсивность покрытия поверхности следами ударов при ВиУИО 168
4.3. Исследования эффективности ВиУИО деталей 174
4.3.1. Определение критерия эффективного воздействия частиц рабочей среды на обрабатываемую поверхность 1 74
4.3.2. Исследование изменения шероховатости поверхности детали в процессе обработки 180
4.3.3. Исследование физико-механических характеристик поверхностного слоя 185
4.3.4. Исследование влияния ВиУИО на усталостную прочность деталей 191
V. Расчёт оптимальных параметров процесса виуио и практическое применение результатов исслещований
5.1. Расчёт оптимальных технологических параметров процесса 195
5.2. Расчёт оптимальных конструктивных параметров установки для ВиУИО 207
5.3. Практическое применение результатов исследований 217
Ощие выводы и рекомендации 220
Литература
- Анализ выполненных исследований,. ВиУИО
- Определение параметров пластической деформации при многократном сударении -частицы
- Методика кинематических исследований процесса ВиУИО
- Анализ влияния технологических факторов на процесс деформирования поверхностного слоя
Анализ выполненных исследований,. ВиУИО
Сущность ВиУИО заключается в периодическом ударно-импульсном воздействии на обрабатываемую поверхность всей массой частиц рабочей среды, загружаемой в устройство [4,5,8І В качестве рабочей среды при ВиУИО может быть использована стальная, чугунная, стеклянная или изготовленная из материала детали дробь различной формы, типа и размера. На рис.1.1а представлена схема устройства для ВиУИО. Основным рабочим элементом устройства является гибкая нить I, при импульсном натяжении которой частицам рабочей среды сообщается кинетическая энергия. Частицы рабочей среды 5 загружаются в гибкую камеру 4 и размещаются на жёсткой площадке 6, соединённой посредством гибкого элемента I с механизмом возвратно-поступательного движения 3. Над жёсткой площадкой располагается обрабатываемая деталь 2. При натяжении гибкого элемента площадка вместе с рабочей средой начинает ускоренно перемещаться в вертикальном направлении. В момент достижения площадкой максимальной мгновенной скорости частицы рабочей среды отрываются от неё и движутся к детали. После соударения с поверхностью детали они возвращаются на площадку которая к этому моменту уже заняла своё исходное положение и процесс повторяется вновь. Уровень кинетической энергии частиц определяется скотзостыо натяжения гибкого ЧЛРМРТТФЯ. в качестве КОТОРОГО мOIVT быть использованы цепь металлический или кордовые ТРосСЫ принципиальные схемы устройств для ВиУИО. 1 - гибкий элемент; 2 - обрабатываемая деталь; 3 - ползун; 4 - камера; 5 - рабочая среда; б - рабочая площадка; 7 - регулируемая тяга; 8 - ротор. В отличие от существующих динамических методов ШЩ свободно-двиаущимися частицами рабочей среды ВиУИО характеризуется: наибольшей плотностью соударения частиц рабочей среды с обрабатываемой поверхностью; высоким коэффициентом передачи кинетической энергии от частиц к детали; применением устройств с относительно небольшими габаритами их малой материалоёмкостью и энергоёмкостью; удовлетворительными условиями охраны труда.
Указанные преимущества достигаются за счёт того, что способ ВиУИО позволяет: производить обработку всей детали, незначительной по объёму массой частиц рабочей среды, путём многократного её использования; обеспечить высокую компактность соударения всей массы рабочей среды с обрабатываемой поверхностью; предотвратить возникновение встречного демпферного слоя между деталью и движущейся к ней массой частиц рабочей среды; исключить из конструкции установок вспомогательные устройства, обеспечивающие сбор и подачу в рабочую зону частиц рабочей среды, систем подвода и очистки рабочей жидкости или сжатого воздуха; достаточно просто и надёжно герметизировать рабочую зону обработки.
Режим вибрационного ударно-импульсного упрочнения по аналогии с другими динамическими методами ПЦЦ в конечном счёте опредейяется следующими критериями [ 74 J : - кинетической энергией частиц рабочей среды перед ударом о деталь; - числом ударов, приходящихся на единицу площади; - размером и характером частиц рабочей среды.
Применительно к устройствам для ВиУИО эти критерии и,следовательно, режим упрочнения могут быть оценены следующими конст-рукторско-технологнческими параметрами. I, Постоянными, зависящими от конструкции установки,такими как: угол раскрытия гибкого рабочего элемента в момент отрыва, рабочей среды; расстояние от площадки в исходном положении до обрабатываемой поверхности; конструктивная схема и размеры укладки гибкого рабочего элемента; конструкция и закон движения привода гибкого элемента; весовая загрузка рабочей среды в камере. 2. Изменяемыми, назначаемых из условия обеспечения требуемых характеристик качества поверхностного слоя обрабатываемой детали: вид рабочей среды (материал, форма, размер); частота колебаний рабочей площадки; время упрочнения.
Проведённые экспериментальные исследования 1 5,8,35,48,59, 60,65I показали, что качество поверхностного слоя, формируемое в процессе ударно-импульсной обработки, характеризуется улучшенной микрогеометрией, наведёнными в нем на глубине до I мм остаточными сжимающими напряжениями, степенью наклёпа 10-25 .
ВиУИО позволяет повысить усталостную долговечность деталей в 3-5 раз, износостойкость на 10-20 по сравнению с неупрочнен-ными. Технологические возможности метода предопределяют его применение главным образом на операциях упрочнения деталей и отде-лочно-декоративной обработки поверхностей.
Область применения ВиУИО может охватывать широкую номенклатуру изделий, но предпочтительнее её использовать для упрочнения плоских или имеющих большой радиус кривизны, деталей. По схеме, приведённой на рис. 1.1а могут обрабатываться плоские детали,имею-щие выступы, перегородки, карманы высотой не больше высоты загрузки рабочей среды в камере. Для обработки фасонных деталей, с наклонными стенками высотой больше высоты загрузки, основное устройство может быть снабжено ретулируемыми по длине тягами
Определение параметров пластической деформации при многократном сударении -частицы
Вследствие неизученности кинетики процесса вопрос избежания так называемых "ложных" режимов решен упрощённо. Проведённые с этой целью теоретические исследования и полученные при этом зависимости выведены из допущений,что время выстоя рабочей среды у поверхности детали отсутствует, а время разгона и опускания равны, что не согласуется с реальными процессами при метании всей массы рабочей среды.
Недостаточно убедительна методика экспериментальных исследований, выбранная автором для обоснования оптимальной массы загрузки рабочей среды в камеру, за критерий загрузки взят средний диаметр отпечатка формируемый на поверхности обрабатываемой детали.
Установленная формула для определения времени обработки детали требует дальнейшего анализа, так как при её выводе не учитывается стохастичность процесса взаимодействия рабочей среды с обрабатываемой поверхностью.
Несмотря на идентичность закономерностей формирования характеристик качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей с подобными ВиУИО методами, вопросы технологического управления процессом решены только для определённых условий обработки на основе статистических моделей, которые не раскрывают в полной мере его физическую сущность. Отсутствие методики аналитического расчёта конструктивных параметров устройств, а также технологических режимов ВиУИО, не повволяет оценить оптимальность и экономическую целесообразность процесса.
Кроме того, в рассматриваемых работах не получили своего обоснования не решенные теоретические вопросы в области динамической обработки деталей свободно-движущимися частицами, изложенные в п.1.2.
Вышеперечисленные обстоятельства в значительной степени сдерживают внедрение ВиУИО в производство и вызывают необходимость проведения всесторонних исследований. Цели и задачи исследований .
Проанализировав результаты исследований ВиУИО, а также опыт исследований в области обработки деталей свободно-движущимися частицами можно сформулировать цель и задачи исследований, проведение которых будет способствовать более эффективному использованию оптимальных технологических процессов упрочнения в различных отраслях промышленности.
Цель работы - на основе теоретических и экспериментальных исследований установление научно обоснованных функциональных связей характеристик качества поверхности с технологическими параметрами процесса и усталостной прочностью деталей в условиях ВиУИО. Разработка методики расчёта оптимального технологического процесса ВиУИО.
Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи: 1. Теоретическое и экспериментальное исследование соударения , единичной частицы рабочей среды с шероховатой поверхностью, 2. Разработка теоретической модели ВиУИО деталей. . 3. Аналитическое определение и экспериментальное обоснование зависимостей для расчёта характеристик качества поверхност » ного слоя и оценки влияния ВиУИО на повышение усталостной прочности деталей. 4. Установление критерия эек среды на обрабатываемую поверхность 4. Кинематическое исследование процесса ВиУИО. i» m, оптимальных кш кторск РГІҐІЯ ТчітУХТП. налогических параметров процесса ВиУИО. 5. Установление критерия эффективности воздействия рабочей среды на обрабатываемую поверхность. 6. Разработка методики расчета оптимальных кснструкторско-тех
Необъективность моделей, представленных в главе I, заключалась в недооценке влияния шероховатости обрабатываемых поверхностей на процесс и параметры деформации поверхностного слоя. Вместе с тем в настоящее время положение о том, что шероховатость обуславливает дискретность контакта является общепризна-нымГ25,43I . Исследованиями, приведёнными-в работах [II,22,57, 68 отмечается, что она изменяет величину контурной площади и контактного давления по сравнению с расчётными по классической теории контактных деформаций. В работе [ 67 7 Jпервыы ери исследовании механизма формирования поверхностного слоя при В и О показано, что параметры пластически деформированных зон (степень и глубина наклёпа) являются функцией высоты микронеровностей. Таким образом, при анализе процессов деформирования и выводе расчётных зависимостей для определения геометрических размеров пластических отпечатков, степени и.глубины наклёпанного слоя, наряду с другими технологическими параметрами в равной степени должна рассматриваться шероховатость поверхности.
Учитывая опыт исследований динамических методов ІВД, критические замечания, высказанные при их анализе, а также опыт исследований процессов контактного взаимодействия деталей машин, рассмотрим следующую модель деформирования поверхностного слоя при соударении единичной частицы с обрабатываемой поверхностью,
Представим обрабатываемую поверхность в виде шероховатого упруго-пластического полупространства, частицы-гладкими сферами радиуса / . Согласно [75] процесс развития пластической контактной деформации можно разбить на три основных этапа: первый, когда пластически деформируются микронеровности, и сплошная контактная площадка отсутствует; второй соответствует образова-нию массовых микроучастков контакта; третий характеризуется началом деформации основания микропрофиля.
Для расчёта геометрических параметров пластического отпечатка предположим, что при определённых условиях, характеризующихся созданием достаточной плотности контактово й как следствие, равномерным распределением давления по площади касания, деформация микропрофиля и его основания развиваются одновременно, а также, что в процессе разгрузки упругие деформации полностью восстанавливаются. Тогда,согласно схеме взаимодействия сферы с шероховатым упруго-пластическим полупространством(Рис.2. і),пол-ная остаточная деформация j/, , по оси К будет равна 1де У0 - пластическая деформация основания микропрофиля по оси Е ; Ум - деформация микронеровностей по оси . Для любой другой точки, удалённой на расстояние X от оси Z в пределах радиуса отпечатка Q полная деформация будет меньше на величину ДЕ , зависящую от кривизны поверхностей
Методика кинематических исследований процесса ВиУИО
Достоинством применяемой установки является простота конструкции, удобство эксплуатации, универсальность. Подробное описание установки представленно в работе [58] . На Рис.3.1; 3.2 показана кинематическая схема и общий вид устройства для ВиУИО.
Эксперименты проводились при неподвижном креплении образцов. Вывод установки на требуемые режимы обработки осуществлялся путем изменения числа оборотов двигателя с пульта управления и контролировался с помощью оттарированных для этой цели приборов. Она может быть использована как в лабораторных условиях для обработки экспериментальных образцов, так и в производственных для упрочнения непосредственно деталей при оонащении её специальными приспособлениями, обеспечивающих их крепление.
Для исследования кинематики устройства для ВиУИО использовалась специальная действующая модель приведённая на рис.3.3. Еинематически она была выполнена аналогично основному устройству. Конструктивное исполнение её предусматривало: расположение всех элементов устройства в одной плоскости для наглядного изучения работы отдельных элементов и всего устройства в целом; возможность изменения в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров с целью получения научно-обоснованных закономерностей исследуемого процесса.
С целью изучения закономерностей процесса деформирования поверхностного слоя было использовано баллистическое устройство в виде вертикального пружинного ружья (Рис.3.4), изготовленного из латунной трубки длиной 200 мм с внутренним диаметром 14 мм. Устройство позволяло имитировать процесс соударения единичной частицы в условиях ВиУИО.
Требуемая скорость соударения шарика с образцом достигалась путём сжатия пружины. Степень сжатия фиксировалась указателем 15 Г Общий вид модели устройства для ВУИО. Рис.3,4, Схема устройства для исследований соударения единичной частицы с обрабатываемой поверхностью. 1 - упор; 2 - образец; 3 - приспособление; 4,8 - кронштейны; 5 - трубка; б - шайба; 7 - стержень; 9 - направляющая втулка; 10 - пружина; 11 - ограничитель хода; 12 - стойка; 13 - станина; 14 - линейка; 15 - указатель; 16 - проволочный датчик. по линейке 14, закреплённой на стойке. Зависимость скорости в функции от величины сжатия пружины определялась экспериментально с помощью проволочных датчиков 16, устанавливаемых на верхнем кронштейне 4 на выходе шарика из трубки (Рис.3.4а) по формуле Время пролёта шариком расстояния 5 меаду датчиками регистрировалось посредством частомера-хронометра.Ф 5080. По результатам статистическЕх экспериментальных данных строился тарировоч-ный график. Используемое для исследований баллистическое устройство обеспечивало скорости соударения до 10 N/C, чтО вполне соответствовало скоростям, достигаемым на установках для ВиУйО.
Основные приспособления, используемые в работе показаны на Рис.3.5; 3.6; 3.7. Для упрочнения призматических образцов размером 12x12x20, 100x20x1,5 и 125x20x5 использовались державки, приведённые на Рис.3.5а; 3.56, которые при проведении исследований, посредством болтов, прикреплялись к крышке I основного устройства.
Дри установке образцов для исследований на баллистическом устройстве использовалось приспособление, изображённое на Рис.3.5в. Образцы для исследования силовых факторов контакта ввинчивались непосредственно в пьезодатчик и тензодатчик давления (Рис.3.6), устанавливаемых на специальной, расположенной автономно от баллистического устройства, жёсткой консольной балке. Такая схема установки образцов исключала наложение вибраций, возникающих в баллистическом устройстве на точность измерения датчиками ударных импульсов. индикаторном приспособлении Рис.3.7. Цутём переворота образца фиксировалось максимальное и минимальное показания индикато ра. Затем по формуле определялась фактическая величина прогиба образца. напряжений для исследования шероховатости, процесса деформирования поверхностного слоя для измерения для анализа структуры упрочненного слоя для исследования усталостной долговечности образцов для анализа силовых факторов контакта для измерения геометрических параметров пластического отпечатка
Для исследования характеристик качества, эксплуатационных свойств деталей, а также изучения механизма процесса формирования поверхностного слоя на основании анализа имеющихся для этой цели средств измерений были выбраны следующие: для определения остаточных
Для анализа экспериментальных данных использовались статистические методы обработки результатов наблюдений [l,24,8l] . В качестве оценки математического ожидания случайной величины (исследуемого параметра) использовалось среднее арифметическое значение наблюдаемых значений. Затем оценивалась диспероия случайной величины, на основании которой в предположении нормальности распределения результатов наблюдений строился доверительный интервал.
Основной объём экспериментальных исследований был выполнен на образцах из стали 40х и алюминиевого сплава Д I6T. Выбор указанных материалов для проведения исследований сделан на основе анализа номенклатуры деталей, подвергаемой упрочнению динамическими методами ІЩЦ и материалов, используемых для их изготовления. С целью проверки возможности широкого применения результатов исследований для обработки деталей из машиностроительных материалов, наиболее часто применяемых при изготовлении различных деталей машин, использовались материалы других марок (Табл.3.2).
Форма и размеры образцов выбирались в зависимости от направления исследовании. Так, при исследованиях характеристик качества поверхностного слоя (шероховатость, степень и глубина наклёпа) использовались цельные прямоугольные образцы 12х12х20мм. Исследование процесса деформирования поверхностного слоя при соударении с единичной частицей рабочей среды осуществлялось на аналогичных по размеру образцах, собрайных из двух половинок 6х12х20мм. Перед соединением половинок поверхности соприкосновения полировались и тщательно подгонялись друг к друху.
Анализ влияния технологических факторов на процесс деформирования поверхностного слоя
Характер перемещения рабочей среды устанавливался на основе последовательного фиксирования положений занимаемых частицами рабочей среды по высоте камеры в процессе полета их от рабочей площадки к обрабатываемой поверхности и обратно. Для исследований использовались киноматериалы, полученные в результате скоростной киносъёмки. Фотографии, приведённые на рис.4.21 и 4.22, демонстрируют характер перемещения рабочей среды в камере в процессе ВиУИО. Анализ киноматериалов показал, что после отрыва рабочей среды от площадки при полете её по направлению к детали она начинает растягиваться по высоте. При этом степень рассеивания частиц рабочей среды зависит от начальной скорости и высоты полета их в камере. То что за один и тот же промежуток времени частицы, обладая одинаковой начальной скоростью, находятся на различном уровне по высоте обуславливается различием их по массе, а также взаимодействием между собой.
Следствием рассеивания частиц рабочей среды по высоте полета является стохастический характер их взаимодействия, с.обрабатываемой поверхностью, между собой при приближении к ней. При рассмотрении характера взаимодействия рабочей среды с обрабатываемой поверхностью установлено, что с ней соударяются главным образом частицы бесприпятственно достигшие её и располагавшиеся при подлёте к ней на более высоком уровне по высоте относительно других. Связано это с тем, что после взаимодействия с поверхностью, перемещаясь в направлении площадки они встречаются с частицами, движущимися к детали, которые при соударении сообщают им новый импульс движения в обратном направлении. Этот процесс продолжается до тех пор пока ниже расположенные частицы не начнут перемещаться в направлении площадки.
При соударении рабочей среды с обрабатываемой поверхностью если до момента, пока частицы располагающиеся на самом низком уровне по высоте движутся в направлении к детали она имеет тенденцию к уплотнению, то с момента изменения направления их движения вновь начинается процесс рассеивания её по высоте камеры.
Перемещение рабочей среды к площадке после соударения её с обрабатываемой поверхностью протекает более медленно. При этом степень рассеивания массы значительно выше, чем при перемещении её к детали. Достигнув площадки, в результате неупругого соударения, частицы теряют скорость и размещаются на ней. Длительность прихода рабочей среды на площадку, как показали исследования, зависит также от начальной скорости и высоты полета.
Используя, согласно теории вероятностей, в качестве характеристики положения рабочей среды по высоте, в фиксированный момент времени математическое ожидание JtX (центр группирования) установим зависимости, позволяющие аналитически описать характер перемещения рабочей среды в функции от конструктивных и технологических параметров процесса ВиУИО.
Математические ожидания положений рабочей среды по всей высоте полета определялись как среднее значение высот занимаемых её частицами в фиксированные моменты времени по формуле Гво] расстояние от рабочей площадки в исходном состоянии до уровня на котором располагается/ частиц в момент времени ti ; /7 - количество частиц рабочей среды, загружаемых в от конструктивных и технологических параметров процесса. Оценка кривых функций показала, что они могут быть аппрок симированы параболами 2-го порядка вида время полета рабочей среды от детали к площадке. Установим значения коэффициентов, а также эмпирические зависимости для их определения, позволяющие наилучшим образом описать влияние конструктивных и технологических параметров процесса на характер перемещения рабочей среды при БиУИО.
Поскольку свободный полет частиц рабочей среды начинается в момент- отрыва их от площадки, то для определения коэффициентов кривой J/k(tj) системы (4.10), описывающей перемещение их
Влияние расстояния от площадки (в исходном положении) до обрабатываемой поверхности на характер перемещения центра группирования рабочей среды при V= 3,8 м/с; 7= 3; в пределах одного цикла колебания площадки: 1. -Н= 280 мм; 2. -/%= 340 мм; 3.Н0-- 200мі 4. -/і= 160 мм.
Анализ совокупности кривых J4x(ij) перемещения рабочей среды к детали показал, что характер перемещения зависит от начальной скорости полета частиц. По аналогии с зависимостью, описывающей закономерность перемещения свободного тела, брошенного вертикально вверх примем, что / _т/
Подставляя величины коэффициентов б, и С, в первую формулу системы уравнения (4.10), найдем численные значения коэффициентов О, , соответствующие положениям массы; в различные моменты времени при определённой начальной скорости полета.
В табл.4.13 приведены усреднённые (по 5 тoчкам кривой) значения коэффициента С, для кривых ,J/l((p, полученных при перемещении частиц с различной начальной скоростью. Так как они оказались примерно равными, вычислим среднеарифметическое где а - ускорение свободного падения, показывает, что взаимодействие между собой частиц рабочей среды с момента отрыва, приводящее к рассеиванию массы по высоте полета, замедляет перемещение её центра группирования в 2,63 раза, по сравнению с отдельной частицей брошенной с той же начальной скоростью.
Для определения коэффициентов кривой Л\(({),) » описывающей перемещение рабочей среды от детали к использовали метод наименьших квадратов [24] . В табл.4,14 приведены значения коэффициентов эмпирических зависимостей, полученных при различных параметрах полета. Анализируя данные табл.4.14 видно, что на характер кривой оказывает наиболее существенное влияние коэффициенты С и СХВ , Малая значимость коэффициента объясняется тем, что после соударения с деталью центр группирования рабочей среды начинает перемещаться к площадке, обладая незначительной по величине скоростью, вследствие стохастического поведения её в этот промежуток времени. Экспериментальные исследования характера перемещения рабочей среды с преградами из различных материалов не привели к существенному изменению коэффициен- . та „ . Это позволяет в дальнейшем не учитывать влияние физико--механических свойств обрабатываемого материала на закономерности перемещения рабочей среды в процессе ВиУИО. Таким образом, для описания кривой Льдами рабочей среды к площадке вторым членом уравнения можно пренебречь.
