Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ работ, постановка цели и задач исследований 10
1.1. Обзор работ по технологии виброударной обработки деталей 10
1.2. Анализ методов численного моделирования процесса виброударной обработки 14
1.3. Анализ работ по обрабатывающим свойствам виброинструмента 18
1.4. Постановка цели и задач исследования 22
ГЛАВА 2. Исследование обрабатывающих свойств виброинструмента по контуру плоского сечения детали 24
2.1. Определение этапов исследования обрабатьгоающих свойств виброинструмента 24
2.2. Постановка плоской задачи исследования обрабатывающих свойств виброинструмента 25
2.3. Исследование коэффициента динамического разрыхления твердых частиц виброинструмента 28
2.4. Диссипативные свойства виброинструмента 33
2.5. Квазиупругие параметры виброинструмента 38
2.6. Зазорные характеристики технологической системы 42
ГЛАВА 3. Исследование процесса виброударного упрочнения в плоском сечении 48
3.1. Построение математической модели технологической системы в плоском сечении 48
3.2. Численное решение плоской задачи процесса виброударной обработки 52
3.3. Формирование сервисных услуг технолога при проектировании параметров процесса виброударной обработки 54
3.4. Массовые характеристики процесса виброударной обработки 59
3.5. Фазовый портрет процесса виброударной обработки 67
3.6. Импульсно-силовая характеристика процесса виброударной обработки 71
3.7. Распределение величины энергии периодических соударений детали с инструментом в плоском сечении 76
ГЛАВА 4. Теоретическое исследование технологических параметров процесса виброудрной обработки в плоском сечении 82
4.1. Определение скорости формирования поверхностного слоя в плоском сечении детали 82
4.2. Распределение высотного параметра шероховатости Rz в плоском сечении детали 89
4.3. Определение величины остаточных напряжений в поверхностном
слое детали 94
4.4. Определение степени и глубины наклепа поверхностного слоя
детали в плоском сечении 99
ГЛАВА 5. Исследование параметров виброинструмента и станка 108
5.1. Особенности определения параметров станка и инструмента 108
5.2. Определение амплитудных и частотных параметров работы станка 111
5.3. Определение параметров поджатая виброинструмента 116
5.4.. Определение оптимальных режимов виброударной обработки 119
ГЛАВА 6. Экспериментальное исследование технологических показателей процесса виброударного упрочнения 121
6.1. Методика проведения экспериментальных исследований 121
6.2. Результаты экспериментальных исследований динамических параметров процесса в плоском сечении 124
6.3. Результаты экспериментальных исследований технологических параметров процесса в плоском сечении 129
Выводы 132
Общие выводы 133
Литература 135
- Анализ методов численного моделирования процесса виброударной обработки
- Исследование коэффициента динамического разрыхления твердых частиц виброинструмента
- Численное решение плоской задачи процесса виброударной обработки
- Распределение высотного параметра шероховатости Rz в плоском сечении детали
Введение к работе
Общая характеристика темы: В современном машиностроении в условиях повышенной силовой нагруженности узлов и скоростных параметров машин возникает необходимость обеспечения ресурса их работы и надежности. Для деталей сложной (Ьормы эта щзоблема решается за счет виброудао- * -* X X л. щГ А ной (виброударной и виброабразивной) обработки, обеспечивающей равномерное упрочнение стоек шасси, силовых кронштейнов, корпусных деталей, шнеков, лонжеронов и панелей и др, Виброударная обработка позволяет повысить для деталей из стали ЗОХГСНА усталостную прочность на 10-15%, усталостную долговечность на 20-30%, увеличить износостойкость в 2-3 раза. Отличительной особенностью процесса виброударной обработки является отсутствие жесткой связи инструмента с деталью и станком, а также зависимость обрабатывающих свойств виброинструмента от режимов упрочнения. Это порождает многовариантность режимов упрочнения и параметров станка, а так же снижает точность моделирования технологического процесса.
Актуальность темы. В современном машиностроении в условиях по-вышеннои силовой нагруженности узлов и скоростных параметров машин возникает необходимость обеспечения ресурса их работы и надежности. Для деталей сложной формы эта проблема решается за счет виброударной (виброударной и виброабразивной) обработки, обеспечивающей равномерное упрочнение стоек тттасси5 силовых кронштейнов^ корпусных деталей5 ттшеков. лонжеронов и панелей и др. Виброударная обработка позволяет повысить для деталей из стали ЗОХГСНА усталостную прочность на 10-15%, усталостную долговечность на 20-30%, увеличить износостойкость в 2-3 раза. Отличительной особенностью процесса виброударной обработки является отсутствие жесткой связи инструмента с деталью и станком, а также зависимость обрабатывающих свойств вибооинстоумента от режимов упрочнения. Это * ' Л. Л- tS X ^ х порождает многовариантность режимов упрочнения и параметров станка, а так же снижает точность моделирования технологического процесса.
Актуальность работы обусловлена недостаточной точностью современных методов численного моделирования и проектирования параметров технологии виброударной обработки и станков методом аналогов, основанным на одномерных моделях процесса, значительными временными и материальными затратами на экспериментальную отработку технологии.
В настоящей работе задача аналитического моделирования технологических параметров процесса и оборудования сведена к численному моделированию и вычислению конечного множества дискретных значений параметров технологического процесса и станка на основе закономерностей изменения обрабатывающих свойств инструмента в плоском сечении системы станок-инструмент-деталь от угла и удаления от поверхности детали. Для любых точек по контуру сечения детали между дискретными значениями параметры определяются с помощью функции интерполяции и математического ожидания. Это позволяет определить параметры инструмента и станка, обеспечивающие повышение производительности, качества и экономичности виброударной обработки.
Работа выполнялась в соответствии с программой госбюджетных научных работ 01.015 ВГТУ.
Цель и задачи работы. Целью работы является численное определение рабочих параметров инструмента и стайка, обеспечивающих достижение требуемых технологических показателей виброударной обработки и сокращение затрат на отработку технологии в производстве.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: - определить закономерности изменения обрабатывающих и упругодис-сипативных свойств инструмента в плоском сечении; - разработать метод численного моделирования параметров процесса виброударной обработки и оборудования в плоском сечении технологической системы станок-инструмент- деталь; исследовать закономерности изменения импульсно силовых и энергетических параметров процесса виброударной обработки по контуру плоского сечения детали; исследовать закономерности изменения высотного параметра шероховатости, остаточных напряжений первого рода, величины и глубины наклепа по контуру плоского сечения детали; определить амплитуду и частоту колебаний станка и поджатия инструмента, обеспечивающие достижение требуемой производительности, качества обработки по поверхности детали; провести сравнительный анализ численного и натурного экспериментов зависимости технологических режимов процесса виброударной обработки по поверхности детали и параметров оборудования.
Методы исследования. Использовались аналитические и численные математические методы моделирования и оптимизации процесса виброударной обработки, численные методы интерполяции и программирования с использованием алгоритмического языка Delphi и программного комплекса MathCAD 2000 в операционной системе Windows 2000, методы статистического отображения информации, экспериментальный метод исследования зазорных характеристик инструмента.
Научная новизна работы.
В работе получены следующие основные научные результаты: - установлена закономерность изменения обрабатывающих свойств ин струмента от угла контура плоского сечения детали и удаления от нее; дока зано преимущественное влияние зазорного параметра на закономерности из менения вибровязкого сопротивления и квазиупругой жесткости от угла и удаления; разработана вариативная методика численного моделирования параметров инструмента и станка, позволяющая свести задачу аналитического моделирования к вычислению конечного множества дискретных значений для любой точки контура плоского сечения детали, которая обеспечивает получение требуемых технологических параметров; разработана математическая модель технологической системы станок-инструмент-деталь, учитывающая закономерности изменения обрабатывающих свойств виброинструмента от угла по контуру плоского сечения детали и удаления от нее и режимов работы станка; установлена неравномерность импульсно-силовых характеристик и формирования технологических показателей процесса по контуру плоского сечения детали; определены рациональные параметры инструмента и станка, позволяющие обеспечить повышение производительности в 1,5 раза, сократить время отработки технологии в производстве в 2 раза при нефорсированных по интенсивности режимах обработки.
Практическая значимость и реализация результатов. создана база данных обрабатывающих свойств инструмента в плоском сечении от угла у, удаления 1 и режимов упрочнения, позволяющая определять технологические параметры процесса виброударного упрочнения по контуру плоского сечения детали; разработан интерфейс численного моделирования технологических параметров процесса виброударной обработки, позволяющий технологу просматривать одновременно несколько графических зависимостей технологических параметров с возможностью их определения в любой точке по контуру плоского сечения детали; обоснованы способы получения требуемых параметров станка, обеспечивающих повышение производительности, качества и экономичности виброударной обработки по поверхности детали и сокращение затрат на ее отработку; - разработанная математическая модель и аналитическая методика используется в проектной и расчетной практике на Федеральном государственном унитарном предприятии научно-исследовательском институте автоматизированных систем производства и контроля (г. Воронеж)
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологии» (Ростов-на-Дону, 2000), 5-й международной научно-технической конференции "Вибрация - 2001" (Курск, 2001), на научных конференциях кафедры "Технология машиностроения" ВГТУ в 1999-2003 годы.
Публикации по работе. Автор опубликовал по теме диссертации 8 научных работ.
Личный вклад автора в работе III - разработка схемы классификации методов управления; 121 - расчет функционалов обрабатывающих свойств виброинструмента; 131 - расчет функционалов зависимостей динамических свойств виброинструмента от поджатия; /5/ - формирование графических зависимостей параметров от угла у и удаления /; /6/ - расчет параметров в плоском сечении; 111 - обработка и вывод графических результатов изменения динамических свойств виброинструмента в плоском сечении; /8/ - обработка и вывод графических результатов изменения частоты колебаний в плоскости.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложенных на 144 страницах; содержит 97 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 90 наименований, приложение на 6 листах.
Анализ методов численного моделирования процесса виброударной обработки
В работе Ю.Р. Копылова [39] рассматриваются несколько методов расчета режимов виброударного упрочнения. Метод последовательных приближений и метод перебора матрицы исходных данных.
Рассмотрим метод последовательных приближений [39]. Формируется база данных о размерах Aj и форме детали Кф; высотных и шаговых макро геометрических характеристиках ее поверхностей Rz, Rzmax, Ra, Sm, Sh идр.; физико-механических характеристиках исходного состояния поверхностного слоя детали: коэффициент Пуассона v, модуль Юнга Е, твердости НВ и НМ, остаточных напряжений O+Q и наклепа HU. Формируется база данных о приближенных значениях динамических и ударных показателей процесса: коэффициентов восстановления скорости соударения R, R , R коэффици ентов сухого f и вязкого X трения; времени соударения т и такта соударенияtT; предварительных характеристик выброинструмента: диаметра твердых частиц D, плотности и динамической вязкости технологической жидкости Рж и V-ж» фазового угла периодических перемещений ф и скорости циркуляции вибрирующей рабочей среды Уц; вибровязкого сопротивления оо+, квазиупругой жесткости G±, динамического разрыхления Ки и зазоров5i;2 Анализируют исходные данные: чертеж детали, программа и тип производства. Создают файлы баз исходных данных. Вычисляют значения энергии периодических соударений пограничного слоя виброинструмента с упрочняемой поверхностью детали, необходимые для формирования требуе 2 2мых параметров качества поверхностного слоя. Для Аса = 800ч-1200см/с ,со = 60 ч-120 с для стальных шариков диаметром 0,5 см и использования в качестве технологической жидкости водного раствора хромпика и нулевого поджатия виброинструмента П = 0 значение Эт =0,06 ч- 0,15 10 кг-см. Для значения поджатия П=0,6 Эт возрастает в 3-5,4 раза и составляетЭх =(0,35-г0,5)-Ю- кг-см. Далее определяют скорость соударения пограничного слоя виброинструмента с деталью и приближенное значение тт для предварительно принятой амплитуды виброускорений и частоты.
Для приближенного значения VT, частоты колебаний со, фазового угласоударения єт, определяется необходимая амплитуда виброперемещения детали с контейнеромcocoseT В зависимости от формы детали выбирается форма траектории колебаний, характеризуемая соотношением Ах /Ау, ее ориентация; скорость вра щения детали фд в контейнере или скорость вращения траектории колебаний фху. Уточняется динамическая схема технологической системы и схема базирования, рассчитываются припуски и далее продолжается проектирование технологии.
Рассмотрим пример расчета режимов виброударной обработки методом построчного перебора матрицы динамических свойств технологической системы [39]. Для дискретных значений Х = Ахсо в диапазоне 200-1200со0 (Х;со;П); коэффициент демпфирования hT (X; со; П).
Далее определяются значения импульса силы JT , энергии Эт и фазовогоугла єт периодических соударений нижней зоны упрочняемой детали спограничным слоем виброинструмента. Результаты вычислений формируются в виде файла. Используя матрицу исходных данных о материале упрочняемой детали, исходном состоянии поверхности, форму и размеры детали, вычисляются предельно достигаемые при заданных дискретных значениях режима виброударного упрочнения - значения шероховатости Rz, степени наклепа HU и глубине наклепа hHU, остаточных напряжений о_0, скорости формирования пластических отпечатков Vs. Результаты вычислений формируются в виде файла и выводятся для анализа зультаты вычислений формируются в виде файла и выводятся для анализа намонитор. Из указанных расчетных значений выбираются те, которые соответствуют требованиям чертежа. Для них рассчитывают соответствующие им значения энергии соударения. Среди них выбирается наибольшее значение Эт и вновь вычисляются технологические показатели процесса. Уточня ется, не выходят ли эти параметры за пределы допуска при расчетном значении Эт . Для [эт] повторно вычисляется приближенное значение mT ,затем определяется AcocoseT и уточняется sT, принимается со. По этим значениям вычисляется Ах и Ау, выбирается траектория колебаний, угловаяскорость вращения детали или траектории колебаний, поджатие рабочей среды по методике, изложенной более подробно в ранее рассмотренном методе расчета.
В работе Субача А. П. [68] рассматривается процесс виброабразивной обработки без закрепления деталей в навал. На основе кинематики и динамики движений виброинструмента в процессе обработки, априорно, без учета свойств элементов технологической системы сформулированы математические модели описания движения виброинструмента с деталями. В результате решения уравнений одномерных, плоских и объемных моделей были получены предполагаемые амплитудные, частотные, фазовые характеристики элементов технологической системы. Адекватность той или иной модели определялась нахождением параметров модели, оптимальных с точки зрения выбранного критерия идентичности, т.е. поиском комбинации констант, при которых дифференциальные уравнения максимально совпадали с экспериментальными данными.
Одномерный случай численного моделирования существенно снижает точность в определении оптимальных режимов и технологических показателей процесса виброударного упрочнения в зависимости от зоны измерения и делает невозможным определение параметров по контуру детали и контейнера.
Технологические возможности процесса виброударного упрочнения характеризуются предельно достижимыми значениями технологических параметров поверхностного слоя за цикл обработки. Из-за ограниченности скоростных возможностей процесс виброударного упрочнения реализуется обычно при исходной шероховатости не более Rz 10-20 мкм [4]. При более значительной шероховатости впадины микронеровностей не полностью обрабатываются, а забоины и раковины не устраняются.
При виброударном упрочнении деталей с закреплением, например из стали 30ХГСНА в среде свободно вибрирующих стальных шариков диаметром 0,5 см в жидкости с амплитудой виброперемещений 0,5 см по круговой траектории колебаний с частотой 140 с"1, в течение 60 мин обеспечиваются в среднем следующие технологические результаты [34]. Параметр шероховатости снижается с Ra 2,5-5 мкм до Ra 1-2 мкм. Средний шаг микронеровностей уменьшается с Sm 0,4-0,15 мкм до Sm 0,1-0,05 мкм. Относительная несущая длина профиля микронеровностей, измеренная на половине Rzmax, возрастает с to.5=0,4-0,45 до to.5=0,6-0,8. Радиус выступов микронеровностей интенсивно возрастает от 25 до 200 раз [58]. Структура микронеровностей приобретает ненаправленный характер. Наиболее интенсивно изменение параметров происходит впервые 10-15 мин обработки. При увеличении диаметра шариков виброинструмента, с сохранением виброскорости колебаний, интенсивность снижения шероховатости растет, время цикла обработки сокращается.
Сжимающие остаточные напряжения первого рода при виброударном упрочнении достигают следующих величин: в сталях ЗОХГНА 600-750 МПа, в титановых сплавах ОТ-4 ВТ-1 200-400 МПа, в алюминиевых высокопрочных сплавах Д16Т, В95 150-250 МПа [65]. Глубина формирования остаточных сжимающих напряжений 1-го рода при оптимальном
Исследование коэффициента динамического разрыхления твердых частиц виброинструмента
Представим результаты натурного и численного эксперимента определения зазорного параметра коэффициента динамического разрыхления и безразмерной величины Здесь и далее на рис. 2.3.1 - 3.2.2 принято обозначение: -численный эксперименту - натурный эксперимент.С увеличением амплитуды виброускорения, при фиксированной частоте со, коэффициент динамического разрыхления возрастает, причем в большей степени при меньших частотах со = 37 - 63 с 1. При увеличении частоты колебаний, значения коэффициента динамического разрыхления монотонно уменьшаются и стремятся к единицеРис. 2.3.1. Зависимость среднего значения по сечения контейнера коэффициента динамического разрыхления Ки от амплитуды виброускорения Асо2 колебаний контейнера [34]
Рассмотрим характерные зоны циркуляционных перемещений виброинструмента при жестком креплении обрабатываемой детали, установленной по центру контейнера (рис. 2.2.1). Зона подпора частиц виброинструмента при движении контейнера против часовой стрелки расположена в области у = 110 - 260 и характеризуется повышенным значением давления в ней, пониженным динамическим разрыхлением шариков и скоростью циркуляции. Зона пересыпания расположена в области у = 110 - 0 и характеризуется спадом давления, повышением разрыхления и скорости циркуляции. Зона активного вибротранспортирования расположена в области у = 300 - 240 и характеризуется интенсивным вибротранспортированием твердых частиц виброинструмента [39].31 Для определения значения коэффициента динамического разрыхленияКи от поджатия П, применялась программа MathCAD 2000. Специфика программы состоит в том, что знак присвоения обозначается как ":=", а обозначение десятичных чисел производится с точкой "1.03", а не с запятой "1,03". Коэффициент динамического разрыхления от угла у, удаления 1 и режимов упрочнения вычисляется по формуле:де К и(Асо , со) - значение среднего коэффициента динамического разрыхления, зависящее от амплитуды виброускорений и частоты; К и(П) - значение среднего коэффициента динамического разрыхления; К и(уЛ) - среднее значение коэффициента динамического разрыхления, при режимах упрочнения (A2 = 8g,co=102c-\n=0).
Вероятностная зависимость коэффициента динамического разрыхления от поджатия при постоянных Асо и со приведена на рисунке 2.2.3.
Для построения зависимости коэффициента динамического разрыхления от угла расположения зоны измерения и величины удаления точки измерения от поверхности детали к поверхности контейнера использовалась программа "Интерполяция". Здесь, зона № 1 - поверхность контейнера, а зона №7 - поверхность детали, значения Ки в промежуточных зонах вычислялись тоже с использованием программы "Интерполяция". Изменение коэффициента динамического разрыхления от угла и удаления от поверхности детали представлено на рисунке 2.3.4. Коэффициент вибровязкого сопротивления а зависит от интенсивности виброускорений Аю и частоты со колебаний контейнера и детали, скорости перемещения тела в виброинструменте, его размера и формы, состава и количества технологической жидкости. При колебаниях контейнера с малой амплитудой виброускорений A l,5g между шариками сохраняется устойчивая силовая связь, действующие при этом напряжения сдвига в рабочей среде меньше значений предельного напряжения сдвига. При более интен-сивных виброускорениях Aw 1,5 - 2,5g силовая структура связей разрушается, происходит резкое уменьшение вязкопластического сопротивления виброинструмента, которая в этом случае ведет себя как упруго-вязко-пластическое тело [34].
Рис. 2.4.1. Зависимость среднего по сечению контейнера коэффициента вибровязкого сопротивления а от амплитуды виброускорений Асо2 [34] Зависимость среднего коэффициента вибровязкого сопротивления отамплитуды виброускорений (рис. 2.4.1.) представляет собой нелинейную зависимость. При (0=37 с"1 значения равны а=0,1 кг-с/см, а при со 110 с"1 стремятся к значению а=0,02 кг-с/см.Рис. 2.4.2. Зависимость среднего по сечению контейнера коэффициента вибровязкого сопротивления а от частоты [34]
Функция зависимости среднего коэффициента вибровязкого сопротивления от частоты виброускорений (рис. 2.4.2.) имеет вид параболической монотонно убывающей кривой, стремящейся к среднему значению 0,04, с максимальным значением а=1,02 при 0=370-1. При больших значения виброускорения функция ос(ю) имеет аналогичный вид с большими значениями.
Экстремальное определение а при 0,8 П 1 затруднено. Поэтому наэтом участке нахождение значений величины осуществлялось с использованием программы MathCAD 2000. С использованием функции предсказания р = predict определялись значения ар на участке 0,9 П 1. В итоге, графически отображаются две матрицы значений а при поджатии 0 П 1 (рис. 2.4.3). Функция зависимости коэффициента вибровязкого сопротивления а от поджатая П на отрезке 0 П 0,5 носит синусоидальный характер, а на отрезке 0,5 П 0,8 монотонно возрастающий характер. Минимальные значения функция принимает в точке П = 0иа = 1и максимальные в точке П = 1 и а = 3,935. Для определения зависимости коэффициента вибровязкого сопротивления от угла у и по сечению виброинструмента, сделаем предположение, что диссипативные свойства виброинструмента имеют обратно пропорциональную зависимость от коэффициента динамического разрыхления Ку в плоском сечении. Эти предположения основаны на том, что с увеличением динамических зазоров и коэффициента динамического разрыхления, коэффициент вибровязкого сопротивления уменьшается. Если зазор между шариками увеличивается, то сопротивление движению в виброинструменте уменьшается. Увеличение коэффициента динамического разрыхления Ки, а, следовательно, и зазоров между шариками 5щ, между контейнером и виброинструментом 5К, между деталью и виброинструментом 8д приводит к уменьшению коэффициента вибровязкого сопротивления а.
На рис. 2.4.4. представлено изменение коэффициента вибровязкого сопротивления от угла у и расположению удаления. Значения а определяются дискретно с шагом 1 и удалением от поверхности контейнера по 7 зонам. Для определения величины среднего коэффициента вибровязкого сопротивления по контуру детали и контейнера, а также в промежуточных сечениях использовалась внутренняя подпрограмма «Интерполяция», а так же зависимость видагде а (Асо , ео, П) - средний коэффициент вибровязкого сопротивления, зависящий от амплитуды виброускорений, частоты и поджатия П; KUmin - минимальное значение коэффициента динамического разрыхления для данных режимов упрочнения; Ки; - текущее значение коэффициента динамического разрыхления, зависящее от угла у, удаления 1 и режимов упрочнения.
Функция изменения коэффициента вибровязкого сопротивления от угла у и удаления имеет синусоидальный характер. Если рассматривать зависимость а распределение функции от угла расположения зоны измерения, то можно выделить характерные значения 90 и 270. При 7=90 функция принимает минимальные значения а=0,6, а при у=270 - максимальные а=1,42. Значения зависимости ос(у, I) от удаления зоны измерения от поверхности контейнера зависят в свою очередь от угла зоны расположения. В верхней зоне у=90 максимальные значения а=0,84 функция принимает у поверхности контейнера и минимальные а=0,6 у поверхности детали.
Численное решение плоской задачи процесса виброударной обработки
На рисунке 3.2.1. представлен алгоритм импульсно-силовых характеристик процесса виброударного упрочнения. В начале задаются значения зависимости свойств технологической системы от величины угла у и удаления 1. При задании свойств технологической системы в плоском сечении, параметры a, G, 8 и Ки задавались дискретно при углах 0, 90, 180 и 270. Причем, значения величин при угле у=360 автоматически приравнивались к значениям при угле у=0. Поэтому матрица дискретных значений составлялась для пяти углов. Чтобы иметь возможность определять значение динамических, импульсно-силовых параметров инструмента, а также технологических параметров обработки по углу у и удалению 1 в среднем сечении использовалась подпрограмма внутренней интерполяции.
В матрице дискретных значений размером 5 на 7, происходит разбиение намалые квадратные матрицы 2 на 2. В них и происходит непосредственное определение промежуточных значений. Затем производится определение интересующих режимов обработки, выбор величин амплитуды виброускорения Асо2, частоты колебаний контейнера со и величины поджатия П. После этого производится расчет импульсно-силовых характеристик в плоском сечении, при постоянных значениях Асо2, со и П. Определение импульсно-силовых характеристик процесса виброударного упрочнения производилось следующим образом. Вначале производился расчет собственной частоты относительных колебаний со0 шариков в среде виброинструмента, затем массы соударения шариков тс, фазового угла периодических соударений є в плоском сечении. При изменении величины удаления 1, угла у, виброускорения Асо , частоты со и величины поджатия П, при выборе выводимой величины - энергии соударения, программа просчитывала для заданных параметров все импульсно-силовые характеристики. Получив матрицу распределения величины энергии соударения от угла и удаления от поверхности контейнера, определяются значения: шероховатости, наклепа и остаточных напряжений. При этих вычислениях на ЭВМ определяются около 3 миллионов значений.
Комплекс программ составлялся с использованием программной среды Delphi 5.5. Выбор обусловлен удобством интерфейса, простотой получаемого программного кода разработанного на основе Pascal и широкими возможностями вывода графической информации. Созданная в среде Delphi программа содержит 9 стандартных (800x600) и одно увеличенное (800x2000) окно, что обусловлено необходимостью вывода 11 графических зависимостей. Для удобного доступа к инструментам программы предусмотрено постоянное меню, расположенное в верхней части экрана и позволяющее в любой момент работы перейти к рассмотрению той или иной задачи (рис. 3.1.1; 3.1.2; 3.1.3).
Изменение свойств технологической системы при различных удалениях 1 задавалось дискретно в семи зонах. Выбор количества зон удаления не случаен. Он обусловлен возможностью визуального отображения информации в изометрии на экране компьютера. Среднее разрешение экрана составляет 800x600 пикселей, вывод пяти изометрических и одного схематического изображений контейнера и детали предполагает выделение определенной зоны экрана для каждого изображения, причем все элементы графики должны адекватно восприниматься визуально (рис. 3.3.1). Количество зон удаления, равное 7, обусловлено, также, наличием среднего элемента - 4, позволяющего упростить определенные математические расчеты.
Графическое представление результатов численного решения уравнений производится при использовании процедуры изображения кривой Безье - гладкой линии, соединяющей точки, содержащиеся в динамическом массиве. При изображении очередного фрагмента линии, учитывается тенденция расположения трех последовательных точек. Использование данного графического инструмента гораздо усложнило программный код, но обеспечило правдоподобное плавное соединение точек графиков и изображений в изометрии. Процедура Безье используется лишь при отображении изометрических эпюр распределения величин по углу и удалению от поверхности контейнера. При отображении информации в виде графиков, метод кривой Безье не используется, так как не дает точного результата при определении значения величины в конкретной точке графика.
На экране монитора в левой верхней части представлено схематическое изображение упрощенной расчетной схемы технологической системы станок-инструмент-деталь. Для определения величины для интересующих углов у и удалений 1 необходимо поместить курсор манипулятора «мышь» в объем схематически изображенного инструмента и нажать левую кнопку «мыши».
Программа, автоматически определив интересующую величину угла и степень удаления от поверхности контейнера точки измерения, просчитает на всех графиках значения величин в произвольно выбранной точке плоского сечения.
На рисунке 3.3.1 представлен результат численного моделирования при угле у = 230 и удалении Г = 0,48. Под каждым изометрическим преставлением расчетной величины в плоскости ниже расположены два графика. Первый из них показывает распределение величины в сечении от угла, второй - распределение величины при различных удалениях. Графики снабжены линией средней величины, определяемой программой. Если необходимо более детально рассмотреть распределение какой-либо величины в плоскости необходимо нажать кнопку со знаком «+» напротив заинтересовавшего графика. После чего происходит переход в другое окно (рис. 3.3.2), представляющее собой увеличенное изображение изометрического представления распределения выбранной величины в плоскости и два графика.
Выбор определенного угла у и величины удаления 1 позволяет моментально определять значение требуемой величины в выбранной точке. Нажав кнопку «Графики» открывается новое окно, позволяющее просмотреть результаты вычислений на восьми графиках. Первый и второй представляют собой расширенные версии графиков, представленных на рисунках 3.3.1 и3.3.2 - график распределения значения величины в сечениях 0, 90, 180,270 и график распределения значения величины от удаления. Первые два
Последующие графики рассчитывались с разными вариациями постоянных и вариативных значений. Третий, четвертый - постоянные значения частоты и поджатия, с изменяющимися значениями виброускорения при различных углах и в различных сечениях. Пятый, шестой - постоянные значения виброускорения и поджатия, вариативные - частота. Достоинством данного представления результатов расчетов является возможность определить значение величины в любой точке рассматриваемой средней плоскости инст
Распределение высотного параметра шероховатости Rz в плоском сечении детали
Определение величины остаточных напряжений в поверхностном слоедеталиДля определения распределения величины остаточных напряжений в плоском сечении поверхности детали используем известную зависимость [65], в которой значения энергии периодических соударений детали с виброинструментом представлена Распределение величины остаточных напряжений по контуру детали и в поперечном сечении имеет вид ярко выраженной экстремальной кривой с максимумом ст. 0 при у = 240 (рис. 4.3.1). Максимальные значения ст. „ принимает при у = 240, минимальные значения в верхней зоне при у = 90. Распределение величины остаточных напряжений в сечениях, представленное на рис. 4.3.2, показывает, что максимальные значения ст. 0 возникают в средней зоне между деталью контейнером, а при у = 270 значение ст. 0 экстремально Распределение величины остаточных напряжений по контуру детали при фиксированных значениях Аю2 характеризуется образованием экстремумов в зоне у = 240. Зависимость остаточных напряжений от расстояния поверхности детали от контейнера имеет вид кривых со слабы экстремумом. На
Рис. 4.3.5. Распределение остаточных напряжений по контуру детали при различных значениях со (Г =0,5) 300 350150 200 250 Угол Рис. 4.3.7. Распределение остаточных напряжений а.0 по контуру детали при переменном поджатии П (Г = 0,5) В зоне максимального подпора при у = 240 можно наблюдать небольшой экстремум, рост на 4-6% в средней зоне и у поверхности контейнера (рис. 4.3.6).О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Удаление Г от поверхности контейнера
Рис. 4.3.8. Распределение остаточных напряжений а.0 сечениях между деталью и контейнером при переменном поджатии виброинструмента П(у = 240)Распределение остаточных напряжений ст. 0 по контуру детали при переменных значениях П имеет вид ярко выраженной экстремальной кривой (рис. 4.3.7), с максимумом в зоне у = 240 и значением с. 0 = 490 Мпа при П = 0,9. На рис. 4.3.8 представлено распределение остаточных напряжений в сечении. Максимальные значения о. 0 принимает в средней зоне, а наименьшие у поверхности детали. 4.4. Определение степени и глубины наклепа поверхностного слоя деталив плоском сечении
Используя известную зависимость для определения степени наклепа для одномерного случая [76], вводя зависимость энергии Э от угла и удаления, получим уравнение степени наклепа в плоском сечении
На рис. 4.4.1 представлены результаты численного решения уравнений распределения наклепа поверхностного слоя по контуру детали для различных сечений пространства между деталью и контейнером. Максимальные значения HU принимает при у = 240, минимальные в верхней зоне при у = 90. Распределение степени наклепа в сечениях, представленное на рис. 4.4.2, показывает, что максимальные значения возникают у поверхности контейнера при у = 270 и у поверхности детали при у = 90.
Распределение величины наклепа показывает, что небольшое увеличение величины («5-9%) происходит в зоне при у = 240, в основном величина наклепа по контуру остается постоянной (рис. 4.4.3). На рис. 4.4.4. представлено распределение величины наклепа в сечениях при у = 240. Максимальные значения HU принимает в средней зоне пространства между деталью и 101 контейнером. Значение степени наклепа HU у поверхности контейнера превышает на 4% - 6% значения его у поверхности детали.HU,% Av=4g Aw=5g Awf6g Awp7gAw,=9g Aw=10gО 0Д 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Удаление Г от поверхности контейнераРис. 4.4.4. Распределение степени наклепа HU в сечении при различных значениях Аю2 (у = 240)На рис. 4.4.5 представлено распределение величины наклепа по контуру при различных значениях частоты. С увеличением частоты экстремальность в поведении функции на участке при у = 240 уменьшается. В основном наблюдается небольшое увеличение значений функции на этом участке. Распределение величины наклепа в сечении при у = 240 показывает, что при со = 50-63 с"1 функция имеет монотонно убывающий характер с 4,94% до 4,62% при со = 50с"1 и 4,35% до 4% при со = 63 с"1.
