Содержание к диссертации
Введение
1. Стояние вопроса. Цель работы и задачи исследования , 6
1.1 Анализ основных параметров процесса УЗО поверхностного слоя детали 6
1.2 Анализ моделей деформационного взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой при УЗО 17
1.3 Технологическое обеспечение поверхностным пластическим деформированием требуемой точности обработки, шероховатости и волнистости 26
1.4 Выводы и постановка задачи исследования 36
2. Теоретические исследования качества поверхностного слоя деталей, получаемого в результате УЗО 33
2.1 Расчет стойкости инструмента при УЗО 38
2.2 Расчет частот механических колебаний при УЗО 44
2.3 Математическая модель, устанавливающая связь входных параметров УЗО с выходным параметром шероховатости обработанной поверхности 48
3. Методика проведения экспериментальных исследований и экспериментальное оборудование 56
3.1 Технологическое оборудование, рабочие приспособления, исследуемые образцы 56
3.2 Система измерения параметров шероховатости поверхности на базе профилометра Hornmel Tester Т500 63
3.3 Методика и программный модуль портирования топографии поверхности в среду ANSYS (LS-DAYNA) 70
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований 74
3.4.1 Методика проведения экспериментальных исследований влияния режимов УЗО на геометрические и физико-механические характеристики поверхности детали 74
3.4.2 Расчетно-экспериментальная методика оценки остаточных напряжений после УЗО с учетом реальной шероховатости поверхности... 78
4. Экспериментальные исследования влияния технологических режимов УЗО на геометрические и физико-механические характеристики поверхностного слоя детали 85
4.1 Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры шероховатости обработанных поверхностей 85
4.2. Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры волнистости обработанных поверхностей 96
4.3 Исследование влияния технологических режимов УЗО на изменение номинального диаметра детали 103
4.4 Исследование влияния технологических режимов УЗО на микротвердость поверхностного слоя детали 106
4.5 Идентификация величины и интенсивности остаточных напряжений в поверхностном слое детали после УЗО расчетно- экспериментальным методом 111
4.6. Практические рекомендации по повышению качества рабочих поверхностей штока амортизатора кабины автомобиля ЗИЛ 4331 за
счет оптимизации режимов УЗО 117
Заключение 121
Список литературы
- Анализ моделей деформационного взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой при УЗО
- Расчет частот механических колебаний при УЗО
- Система измерения параметров шероховатости поверхности на базе профилометра Hornmel Tester Т500
- Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры волнистости обработанных поверхностей
Введение к работе
Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности выпускаемых изделий. Эксплуатационные характеристики изделий, такие, как надежность, долговечность, износостойкость, контактная жесткость и т.д., в значительной мере определяются комплексом геометрических и физико-механических характеристик качества поверхностного слоя изделий. Данные показатели качества закладываются на стадии проектирования, обеспечиваются при производстве и поддерживаются на всем жизненом этапе эксплуатации изделия. Качество изделий, и прежде всего микрогеометрия и физико-механические свойства их поверхностей, в значительной мере обеспечиваются, как правило, на завершающих стадиях технологического процесса.
Для формирования вышеуказанных характеристик качества поверхностного слоя деталей в последнее время широко применяют различные методы отдел очно-упрочняющей обработки (ОУО), связанные с поверхностным пластическим деформированием (ППД). При этом предпочтение отдается эффективным и производительным методам, одним из которых является ультразвуковая отдел очно-упрочняющая финишная обработка (УЗО). Данная технология применяется при обработке валов, отверстий, плоскостей, а также фасонных поверхностей большой номенклатуры различных деталей, к качеству которых предъявляют высокие требования.
Исследованиям в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и ее внедрения в различные области машиностроения посвящены работы таких российских исследователей, как Смелянского В.М., Маркова А.И., Кудрявцева И.В., Северденко В.П., Клубовича В.В., Степаненко А.В., Розенберга Л.Д., Казанцева В.Ф., Макарова Л.О., Муханова А.И., Ана Г.Д., Голубева Ю.М.,
Чудинова А.В., Асанова В.Б., Куроедова Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельного А.И.. Синдеева В .И., Холопова Ю.В., Городищенского П.А. и др., а также ряда зарубежных - Neppiras Е.А., Shiro Benjamin P., Pyoun Y.S. и др.
Несмотря на достигнутые результаты, в области исследований процессов ультразвуковой обработки и ее совершенствования, существует ряд вопросов, которым уделялось недостаточное внимание. К таковым относятся вопросы обеспечения стойкости инструмента при заданной чистоте обработанной поверхности; исследования жесткости контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью; обеспечения методом УЗО требуемых точностных, геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей на финишных операциях.
Поэтому вопросы дальнейшего совершенствования данного прогрессивного технологического процесса УЗО, с точки зрения повышения производительности и оптимизации режимов обработки с целью обеспечения заданной точности и качества изделий, являются весьма актуальными.
Актуальность выбранной тематики подтверждается тем, что исследование проводилось в рамках научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации «Федерально-региональная политика в науке и образовании» 2004 - 2005 гг.
1. СТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ моделей деформационного взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой при УЗО
При обработке ППД осуществляется сложное нагружение обрабатываемой поверхности [3,10,11,13,14,24-26]. Метод УЗО характеризуется локальностью пластического деформирования поверхностного слоя детали. В результате силового воздействия обрабатывающего инструмента на поверхности обрабатываемой детали образуются отпечатки (лунки), обуславливающие напряженно-деформированное состояние по толщине. При полном покрытии поверхности отпечатками можно предположить, что сжатие всех слоев по толщине в среднем будет соответствовать деформациям осевого сжатия под одним отпечатком (в силу незначительной глубины пластического деформирования).
При силовом контакте упругого сферического индентора с идеальной плоской поверхностью упругопластического контртела (рис. 1.11), деформирующегося с упрочнением, последнее на начальной стадии нагружения испытывает чисто упругую деформацию. Пластическая деформация, которая может возникнуть в микрообъемах контртела до того, как расчетное напряжение в опасной точке достигнет предела упругости, не учитывается.
На этой стадии внедрения сферы напряжения, деформации, а также перемещения материальных элементов индентора и контртела в зоне контакта описываются уравнением Герца [27], причем их сближение а является степенной функцией контактной нагрузки, т. е. а = к-Р (участок I, рис. 1.11,а). Согласно этому же уравнению максимальные касательные напряжения действуют на оси внедрения индентора в точке, отстоящей от центра поверхности контакта на расстоянии, приблизительно равном половине радиуса площадки контакта. С возрастанием контактной нагрузки Р в этой точке начинает возникать пластическая деформация, которая затем постепенно распространяется как на глубину, так и к поверхности плиты. При достижении некоторой величины нагрузки на поверхности контртела образуется вначале кольцевая, а затем при P Ps (нагрузка, соответствующая зарождению пластической деформации) — сплошная вмятина или отпечаток [3], вследствие чего зависимость Герца нарушается (участок II, рис. 1.11,а). После снятия нагрузки происходит упругое восстановление индентора и материала контртела, упругое смятие индентора W/ исчезает, а общая глубина / отпечатка (вмятины) уменьшается на величину упругого восстановления W2 контртела и становится равной /г, т. е. глубине остаточной (восстановленной) вмятины (рис. 1.11 ,б).
Сближение в контакте в зависимости от контактной нагрузки (а) и схема внедрения упругого шара в плоскую границу упругопластического контртела (б): I и II — участки упругой и упругопластической деформации; R, R„ и Л -радиус шара и радиусы кривизны поверхности вмятины под нагрузкой и после разгрузки; Н - глубина восстановленной вмятины; W\ и Wz - упругое смятие шара под нагрузкой и упругое восстановление контртела в центре контакта после разгрузки;/- полная глубина вмятины под нагрузкой; ау и « — обратимое упругое и полное сближения контактирующих тел; d и а — диаметр и радиус контура остаточной вмятины; Р — контактная нагрузка; у угол вдавливания; с, с„ и св - центры кривизны недеформированной исходной поверхности шара, поверхности вмятины под нагрузкой (поверхности невосстановленной вмятины) и поверхности восстановленной вмятины.
В работе [3] Дроздом М.С. разработана модель деформационного взаимодействия и методика расчета параметров упругопластического контакта, глубины и интенсивности пластической деформации контакта сферического индентора с плоской поверхностью при ударном нагружении.
Схема упругопластического контакта двух тел в работе рассматривается с позиций теорий упругости и пластичности, а также имеющихся экспериментальных данных с учетом следующих допущений: - со снятием нагрузки контур в виде окружности в общем случае не изменяется; - профили вмятины под нагрузкой и после разгрузки в продольном и поперечном сечениях очерчены окружностями; - поверхности контртела вне контакта не деформируются.
Максимальное сближение а в упругопластическом контакте при соударении индентора с контртелом состоит из двух слагаемых: остаточного сближения h, равного глубине восстановленного отпечатка, и упругого сближения ау, исчезающего со снятием нагрузки вследствие упругого восстановления индентора и контртела:
Расчет частот механических колебаний при УЗО
Существует достаточно много работ по оценке жесткости контакта режущего инструмента с поверхностью обрабатываемой заготовки [71,72,87 и др.]. При этом основным оценочным параметром является безразмерный коэффициент JU, характеризующий отношение статической жесткости jCM к динамической jd. Показатель (л позволяет оценить влияние скоростных и силовых характеристик резания на возможные отклонения геометрических параметров обрабатываемой поверхности от заданных.
Однако параметр у. не может быть эффективно использован при оценке условий обработки поверхности методом 1111Д, особенно УЗО, так как глубина упруго-пластической деформации исчисляется микронами, а силовая составляющая в направлении скорости обработки не велика. Кроме того, ранее считалось, что жесткость контакта при УЗО практически не влияет как на стойкость индентора, так и на качество обработанной поверхности.
Однако в последние годы в связи с тем, что метод УЗО находит все большее промышленное применение, к нему предъявляются повышенные требования по производительности и качеству. Поэтому исследование механики взаимодействия индентора с обрабатываемой поверхностью в зоне контакта стали актуальными при выборе режимов УЗО и, в первую очередь, таких параметров, как частота колебаний индентора и скорость вращения обрабатываемой заготовки.
Поскольку изменение жесткости контакта инструмент (индентор) — заготовка при обработке поверхностей вращения является систематическим фактором, ее можно рассчитать, приняв следующие допущения: обрабатываемая заготовка установлена в абсолютно жестких центрах и уравновешена как в статическом, так и динамическом состоянии; силы трения в зоне контакта индентор-заготовка отсутствуют (близки к нулю); учитывается только главная скорость - вращение заготовки.
Пусть на тело (заготовку) массой т, установленное в абсолютно жестких центрах, действует нормальная сила Ру со стороны индентора (рис. 2.4). При этом происходит упруго-пластическая деформация поверхности заготовки в зоне контакта. Если заготовка не вращается, а индентор не совершает возвратно-поступательное перемещение по нормали к обрабатываемой поверхности, то можно считать, что упруго - пластический деформированный объем сосредоточен в точке Сі (это допустимо, поскольку деформированный объем значительно меньше объема заготовки).
При соответствующих движениях индентора и заготовки упруго-пластическое перемещение изменится, и точка С\ займет, например, положение С2. уравнение работы, совершенной при этом, имеет вид A = 2j(F4-Py)dx, (2.13) где Ху.„. - упруго — пластическая деформация поверхности заготовки, соответствующая максимальному внедрению индентора; х«э - остаточная динамическая деформация обрабатываемой поверхности при отходе индентора и вращении заготовки; Гц - обобщенная сила, характеризующая восстановление (возврат) упругой деформации, и действие центробежной силы, соответствующей массе деформированного объема, в том же направлении.
Учитывая, что площадь зоны деформации заготовки мала по сравнению с площадью его поперечного сечения, на основании теоремы о среднем значении определенного интеграла (2.13), можно записать: A = 2-{F4-Py)-{?yjl-xd). (2.14) С другой стороны, работа, совершенная при перемещении единичного объема, эквивалентна деформации из точки С/ в точку С2 и равна разности значений некоторых функций Uj и U2 (отражающих действие силовых факторов и называемых силовыми функциями) в начальной и конечной точках, т.е. с2 А= \dU = U2-Uj. (2.15) с, Значение U] в точке Сі (начальный момент вращения заготовки) = Ш/2 (2Л6 где Jo — момент инерции упруго-деформированного объема; со — угловая скорость заготовки. Силовая функция U2 в конечной точке С2 имеет вид: и2=ъ-4/2, (2.17) где кд - коэффициент динамической жесткости заготовки (учитывает упругие свойства материала заготовки в рассматриваемой точке при ее вращении). Произведение кд-хд, входящее в уравнение (2.17), может быть с достаточной точностью определено из уравнения: кд хд = mW г, (2.18) где /я - доля деформируемой массы в зоне контакта индентор - заготовка, г — радиус заготовки.
Система измерения параметров шероховатости поверхности на базе профилометра Hornmel Tester Т500
Разработанная система измерения параметров шероховатости поверхности на базе профилометра Hommel Tester Т500 предназначена для измерения шероховатости поверхности изделий согласно ГОСТ 2789-73, расчета ряда дополнительных параметров и сохранения информации об измеренной поверхности в цифровом виде с целью передачи в CAD/CAM системы.
В состав системы входят: профилометр HOMMEL Tester Т500 [75]; блок питания профилометра; измерительная стойка; интерфейсный кабель; персональный компьютер IBM PC с комплектом программного обеспечения.
Общий вид системы измерения параметров шероховатости поверхности представлен на рисунке 3.7, а технические характеристики - в таблице 3.7.
Центральным элементом системы является цеховой профилометр HOMMEL Tester Т500 производства немецкой фирмы HOMMELWERKE. В процессе работы существует возможность выбора параметров измерения профиля и отсечек шага. Питание профилометра осуществляется как от внутренней батареи напряжением 9 В, так и от сети переменного тока через преобразователь напряжения. В базовый комплект профилометра HOMMEL Tester Т500 входят: мотопривод с дисплеем; датчик с алмазным щупом; перезаряжаемая батарея и преобразователь напряжения. Профилометр HOMMEL Tester Т500 производит измерения на горизонтальных, вертикальных и наклонных поверхностях.
Для управления настройками профилометра HOMMEL Tester Т500, процессом измерения, а также для дальнейшего расчета параметров шероховатости поверхности разработана управляющая программа R2DHWCL. Программа позволяет задать параметры измерения, произвести необходимое количество измерений, рассчитать параметры шероховатости поверхности согласно ГОСТ 2789-73 и международному стандарту ISO 4287-1.2:1995, вывести на печать протокол расчетов представленный на рисунке 3.8. Необработанные результаты измерений могут быть сохранены
В верхней части окна располагается панель настроек параметров работы программы, позволяющая выбрать порт, к которому подключен HOMMEL Tester Т500 и параметры измерения шероховатости. В качестве параметров измерения задаются единицы измерения (метрические или английские), длина измеряемой трассы Lt, отсечка шага Lc, аппаратный фильтр (включить или отключить), используемое количество отсечек Lcn и предел измерения профиля шероховатости MB.
В центре окна расположено отмасштабированное изображение профиля, предназначенное для визуальной оценки шероховатости. Профиль изображается либо на длине трассы, либо укрупненно на длине отсечки шага. Индикатор над изображением профиля показывает текущее положение иглы датчика.
В правой части окна отображаются численные значения параметров шероховатости по ГОСТ 2789-73. При необходимости, можно вывести на экран параметры шероховатости по ISO 4287, гистограмму распределения высот, график опорной кривой, маслоемкости или материального объема (рис. 3.10-3.11).
В нижней части главного окна программы располагаются функциональные кнопки программы. Кнопка «Пуск» начинает процесс измерения профиля шероховатости. Во время измерения и передачи данных на ПК все элементы управления программой блокируются, а на экран выдается сообщение.
По окончании передачи данных сообщение автоматически пропадает, а элементы управления программой разблокируются. В случае удачного измерения профиля шероховатости, производится обновление его изображения и параметров шероховатости. В случае ошибки во время измерения на экран выдается одно из сообщений об ошибке. Возможны как измерительные ошибки (например, превышение предела измерения), так и связанные с потерей связи с прибором или сбоем при передаче данных.
Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры волнистости обработанных поверхностей
Наличие волн на поверхности приводит к уменьшению опорной площади в 5 — 10 раз по сравнению с ровной шероховатой поверхностью, по этому по методике представленной в главе 3.4.1. было исследовано влияние технологических факторов УЗО на формирование волнистости.
Для более полной оценки волнистости поверхности выходными исследуемыми параметрами выбраны: - Wa (мкм) - среднее арифметическое отклонение профиля волнистости поверхности; - Wmax (мкм) - максимальная высота неровностей профиля; - Wp (мкм) - наивысшая вершина профиля; - Wsm (мм) — средний шаг неровностей профиля;
В качестве входящего фактора Х5 были выбраны следующие параметры: - Wa„cx (мкм) - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости исходной поверхности (Х5); - Wsm (мм) - средний шаг неровностей исходного профиля (Х3).
Средний шаг неровностей исходного профиля введен исходя из необходимости определения сформировавшихся их величин после УЗО.
Поскольку волны могут образовываться на детали в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в работе изучалась продольная и поперечная волнистость.
Величины верхнего (+1) и нижнего (-1) уровней входного фактора Х5 приведены в таблице 4.5.
Средние значения результатов измерений продольной и поперечной волнистости поверхностного слоя приведены в таблице 4.6.
Анализ коэффициентов парной корреляции, представленный в таблице 4.7, показал, что связи между высотными параметрами волнистости {Wa, Wmax и Wp) как для продольной, так и для поперечной волнистости линейные или близкие к ним. Корреляционная связь между параметрами продольной и поперечной волнистости, а также шаговым и высотными параметрами слабая или не носит линейного характера.
Принимая во внимание вышесказанное, можно сделать вывод о целесообразности контроля при изготовлении деталей параметров Wa и Wsm как продольной, так и поперечной волнистости.
Результаты расчета коэффициентов уравнения множественной линейной регрессии и проверки его адекватности представлены в таблице 4.8. По результатам проверки адекватности полученных моделей можно сделать следующие выводы:
1. На величину волнистости независимо от ее направления наибольшее влияние оказывает исходная волнистость поверхности. На величину высотных параметров поперечной волнистости также оказывает влияние статическая сила прижатия инструмента к обрабатываемой детали. Влияние остальных технологических параметров УЗО незначительно.
Как видно из рисунка 4.6, на параметры поперечной волнистости поверхности практически одинаковое количественное влияние оказывают ее исходная величина, полученная на предшествующей операции и статическая сила поджатия инструмента. При выбранных режимах обработки управление параметрами Wa возможно в интервале 0,07-0,33 мкм, параметром W - в интервале 0,21-1,10 мкм; параметром Wp - в интервале 0,12-0,60 мкм.
Из рисунка 4.7 видно, что наибольшее влияние на параметры продольной волнистости поверхности оказывает ее исходной величина полученная на предшествующей операции. При выбранных режимах обработки управление параметрами Wa возможно в интервале 2,75-19,09 мкм, параметром W - в интервале 7,97-61,22 мкм; параметром WP B интервале 3,94—27,75 мкм.
С целью оптимизации величины припуска на финишную УЗО в данном разделе представлены результаты экспериментального исследования связи изменения номинального диаметра обрабатываемой заготовки Ad с основными режимами УЗО, геометрией инструмента и исходной шероховатостью заготовки. Экспериментальные исследования производились по методике, представленной в разделе 3.4.1.
В качестве входящего фактора Х5 был выбран параметр шероховатости ИСХОДНОЙ ПОВерХНОСТИ іїдисх Как видно из полученных графиков, с увеличением исходной шероховатости поверхности диаметр образца уменьшается более интенсивно.
Очевидно, это происходит за счет того, что более высокие гребешки шероховатости деформируются значительно легче. Влияние амплитуды ультразвуковых колебания носит обратный характер, что, очевидно, объясняется различной скоростью деформирования материала.
С целью оптимизации величины микротвердости и глубины упрочнения проведены экспериментальные исследования по определению связи между изменением микротвердости HV и основными режимами УЗО, геометрией инструмента и исходной шероховатостью заготовки. В качестве входящего фактора Х5 был выбран параметр шероховатости ИСХОДНОЙ ПОВерХНОСТИ Raucx-
