Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований ... 7
1.1 .Характеристика способов упрочнения поверхностного слоя 7
1.2.Устройства для динамической обработки поверхностным пластическим деформированием 11
1.3. Анализ конструкций генераторов механических импульсов 15
1.4.Технологические особенности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием 29
1.5.Цель и задачи исследований 40
Выводы 43
2. Методическое и материальное обеспечение лабораторных исследований 45
2.1.Конструкция и принцип действия генератора механических импульсов 45
2.2.Измерительная и фиксирующая аппаратура. Тарировка измерительной и фиксирующей аппаратуры 50
2.3. Цикл работы генератора механических импульсов 62
2.4. Методика планирования эксперимента и обработки данных ^4
Выводы 68
3. Теоретические и экспериментальные исследования работы генератора механических импульсов 69
3.1. Математическая модель движения бойка генератора механических импульсов 69
3.2.Разработка алгоритма движения бойка ГМИ 83
3.3. Теоретические исследования влияния конструктивных характеристик ГМИ на энергию и частоту ударов бойка 88
3.4.Оценка адекватности математической модели движения бойка. 94 3.5.Разработка эмпирических математических моделей для
определения частоты и энергии ударов бойка 96
3.6. Экспериментальные исследования влияния расхода рабочей жидкости и давления в напорной магистрали на энергию и
частоту ударов бойка 100
Выводы 105
4. Технологическое обеспечение управления равномерностью и глубиной упрочнения поверхностного слоя при статико-импульсной обработке '. 108
4.1.Теоретическое обоснование технологического управления глубиной и равномерностью упрочнения при статико- импульсной обработке поверхностным пластическим деформированием 108
4.2. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров статико-импульсной обработки на глубину и равномерность поверхностного слоя 115
4.3.Экспериментальные исследования влияния энергии удара бойка на параметры упрочненного слоя 122
4.4.Разработка методики расчета параметров генератора механических импульсов и технологических режимов СИО из условий обеспечения заданной глубины и степени упрочнения
поверхностного слоя 127
Выводы 133
5. Производственная апробация результатов исследований 135
5.1.Конструкция стенда для упрочнения СИО ППД 135
5.2. У правление энергетическими параметрами генератора механических импульсов при обработке плоских и фасонных поверхностей 139
5.3. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств сердечников крестовин стрелочных переводов статико-импульсной обработкой 146
5.4.Расчет технико-экономической эффективности СИО сердечников крестовин стрелочных переводов 154
Выводы 157
Заключение 158
Литература
- Анализ конструкций генераторов механических импульсов
- Цикл работы генератора механических импульсов
- Теоретические исследования влияния конструктивных характеристик ГМИ на энергию и частоту ударов бойка
- Экспериментальные исследования влияния технологических параметров статико-импульсной обработки на глубину и равномерность поверхностного слоя
Анализ конструкций генераторов механических импульсов
Для создания устройства реализующего СИО необходимо провести анализ уже известных конструкций гидроударников.
В настоящее время известно большое количество гидроударных устройств, имеющих различное назначение. Исследованием, проектированием и созданием гидравлических генераторов механических импульсов (ГМИ), в разное время занимались А.А. Алейников, Е.В. Александров, О.Д. Алимов. A.M. Ашавский, С.А. Басов, В.Ф. Горбунов, Л.Т. Дворников, А.Ф. Кичигин, А.Г. Лазуткин, Ю.И. Нерозников, А.С. Павлов, Г.Г. Пивень, В.Б. Соколин-ский, Л.С. Ушаков, И.А. Янцен и др. [6, 7, 10, 12, 14, 18, 21, 27, 28, 49, 55, 90, 112, 114, 115].
Основными характеристиками гидроударных устройств является мощность, энергия единичного удара, КПД, металлоемкость и плотность энергии в сечении инструмента. Диапазон энергии ударов известных гидроударных устройств составляет 250...10000 Дж. Чем выше энергия ударов, тем больше размеры и масса гидроударника. Возможность установки гидроударника, например, вместо шпинделя или резцедержателя фрезерного или строгального станка или на накатных станках обуславливает использование гидроударников с максимальной энергией удара Ю0...500Дж. Максимальная энергия ударов существующих устройств при динамическом упрочнении обычно не превышает 25... 80 Дж.
Одним из показателей экономичности конструкции ударных устройств с максимальной энергией удара 100...500 Дж является металлоемкость. Гидроударник должен быть небольшой массы и габаритных размеров. Обычно металлоемкость для гидроударников составляет 0,4...0,6 кг/Дж.
Плотность энергии в сечении инструмента определяет его нагружен -ность. При динамическом упрочнении ППД нагруженность определяет производительность процесса, то есть максимальную обрабатываемую площадь. упрочняемую за один удар ударного устройства. Диапазон нагруженности для большей части гидроударников составляет 0,12...0,36 Дж/мм2. При проектировании гидроударников обычно ориентируются на нижнюю границу. Мощность (произведение энергии ударов на частоту) и КПД гидроударных устройств определяют эффективность их использования. Наиболее распространенные модели гидроударников имеют КПД 0,56...0,65 (у некоторых конструкций КПД достигает 0,9).
По вышеперечисленным критериям был проведен более подробный анализ 62 моделей гидроударников. Для анализа определялось среднее значение каждого параметра в определенном диапазоне энергии ударов условно разбитых на группы: I - 100...200 Дж, II - 200...300 Дж, III - 300...400 Дж. IV -400...500 Дж (рис. 1.2).
В результате установлено, что гидроударники первой группы обладают высокой частотой ударов, большой металлоемкостью и низким КПД. С увеличением энергии ударов снижается металлоемкость и увеличивается КПД (группа II, III). Дальнейшее повышение энергии ударов (группа IV) значительно снижает частоту ударов, повышает металлоемкость. Следовательно, для данного диапазона наиболее целесообразно применение ударных устройств с энергией в диапазоне 200...400 Дж. Рассмотрим основные типы конструкций таких ударников.
Гидромолот BRH 90 (рис. 1.3) фирмы «Монтабер» (Франция) состоит из корпуса 7, инструмента 2, бойка 3, клапана 5, аккумулятора высокого давления 8, плунжера 6 [112, 116]
Боек 3 образует с корпусом 7 камеру А обратного хода, постоянно соединенную с напорной магистралью. Клапан 5 образует с бойком 3 камеру С рабочего хода, которую соединяет периодически с каналами 7 и 9 соответственно напорной и сливной магистралей. Для обеспечения необходимой величины площади камеры рабочего хода в боек входит стержень, соединенный с корпусом. Камера В, которую стержень образует с бойком, постоянно соединена со сливной магистралью 9.
В исходном положении (рис. 1.3 а) клапан 5, удерживаемый плунжером 6, находящимся под действием давления в напорной магистрали, отсекает камеру рабочего хода от канала 7 высокого давления и соединяет с каналом 9 низкого давления. Камера обратного хода соединена с напорной магистралью, поэтому боек под действием рабочей жидкости совершает обратный ход.
Боек 3 в конце хода упирается в клапан 4 и передвигает его в противоположную позицию. При этом камера С рабочего хода отсекается от канала 9 сливной магистрали и соединяется с каналом 7 напорной магистрали (рис. 1.3 6).
Цикл работы генератора механических импульсов
Выявление закономерностей изменения показателей качества процесса и решение задачи его оптимизации предполагает построение функциональных зависимостей выходных характеристик от факторов: Y = F(x), (2.5) где Y - оценка показателя качества процесса; Л:- вектор технологических факторов. Поскольку аналитическую форму зависимости (2.5) получить не представляется возможным, в силу сложности и многофакторности процесса, то в работе проводилось регрессионное моделирование. Функция (2.5) представлялась в виде регрессионного полинома второго порядка: т т Y = &f(x) = Y 0ijXix} (2.6) /=0 /=/ где 0 - вектор неизвестных параметров регрессионной модели; х- вектор технологических факторов процесса статико-импульсного нагружения; f(x) - вектор аргументов модели известных функций от факторов.
В качестве аргументов модели использованы аргументы полиномов первого и второго порядка. Дальнейшее повышение степени аргументов при исследовании закономерностей процесса СИО является неэффективным.
Для обеспечения наибольшей точности оценок параметров модели и наибольшей точности прогноза выходной характеристики в качестве факторных планов при построении регрессивных моделей вида (2.6) использованы планы, близкие к Д-оптимальным [33]. В некоторых случаях проводилось построение планов на ЭВМ для использования информации, получаемой на этапе предварительных экспериментов. Фактические значения факторов в плане определялось с учетом обеспечения условий нормального протекания процесса.
Оценки дисперсий воспроизводимости эксперимента производились по формуле: где у 7 - значение выходной характеристики в/ -м опыте /-й серии; у. - среднее значение характеристики в /-и серии; п - число дублирующих опытов каждой серии; N - число серий опытов. В каждой точке факторного пространства проводилась серия опытов, причем число опытов в серии выбиралось не менее трех.
Проверка предпосылок регрессионного анализа проводилась путем исследования однородности дисперсий воспроизводимости опытов в различных точках факторного пространства и соответствия распределения каждой выходной характеристики определенному закону распределения в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [33].
Построение регрессионной модели процесса СИО предполагает оценку - параметров регрессионной модели и выбора ее аргументов, определяемых вектором f(x): 0 = (FTF)- (FTY), где fl( l_) /2()4) fk(Xj) fi(Xi) f2(x1) F = матрица аргументов модели fl(Xl) f2(Xf) fk( i) - вектор оценок параметров модели; Y - вектор значений выходной характеристики; к -число оцениваемых параметров. Sg)yj=(F F) !является дисперсионной матрицей оценок параметров. Тогда оценки дисперсий параметров можно определить по диагональным элементам дисперсионной матрицы, а значимость оценок определить по критерию Стьюдента г [33]: -67 ,. \, где \&-\ - модуль значения і - го параметра; S2{&j} - оценка дисперсий і - го параметра.
Для подбора аргументов регрессионной модели использован шаговый метод. В модели вначале вводится аргумент наиболее коррелированный с выходной характеристикой процесса, и оценивались параметры модели. Затем поэтапно вводились аргументы возможного набора с одновременной проверкой их значимости и удалением из модели незначимых аргументов.
Информативность модели оценивалась с помощью дисперсионного отношения: --то- (2-8) где 52(Уср) - дисперсия отклонений фактических значений У, от их среднего значения Y ; ocmVcp] остаточная дисперсия отклонений предсказанных значений Yf от их фактических значений Yf. В качестве критерия адекватности регрессионной модели используется дисперсионное отношение: Vі (к ) " sLtrY Чем меньше значения (2.5), тем более обоснованным является предположение об адекватности модели. Обработка результатов экспериментов проводилась в пакете программ Statistica 6.0.
Для оптимизации параметров ГМИ необходимо выбрать параметр оптимизации. Критерием оптимизации является частота / и энергия ударов Л ГМИ. Упрочненный поверхностный слой после СИО в инженерной практике определяется измерением твердости HV или микротвердости Нм и характеризуется глубиной hv или кц и степенью упрочнения [59, 87]. ли ="" "" , где Нро - исходная микротвердости упрочненной поверхности. Поэтому в качестве параметров оптимизации были выбраны A, f, ЛНре, Выводы 1. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий отследить влияние режимов настройки и конструктивных параметров ГМИ на его энергетические характеристики в соответствии с целями и задачами исследований. 2. Выбранное оборудование, оснастка и контрольно-измерительная аппаратура соответствует условиям проведения лабораторных исследований. 3. Произведена тарировка измерительного комплекса. 4. Разработанная методика обеспечивает возможность проведения исследований, определяющих связь между режимами работы ГМИ и глубиной, степенью и равномерностью упрочненного поверхностного слоя.
Теоретические исследования влияния конструктивных характеристик ГМИ на энергию и частоту ударов бойка
Разработанная модель и соответствующий ей алгоритм позволяют оценить степень влияния каждого параметра модели на частоту и энергию ударов ГМИ.
Основным критерием при выборе ГМИ является его КПД: отношение вырабатываемой мощности (произведение энергии на частоту ударов) к за траченной мощности. Следовательно, необходимо выбирать такие параметры ГМИ, чтобы обеспечивать максимальную энергию ударов на максимальной частоте. Поскольку в предлагаемой конструкции частота ударов выбирается независимо от параметров ГМИ и зависит только от частоты вращения двигателя вращающего золотник распределителя, то основным показателем, определяющим КПД, является энергия ударов.
Расчеты по модели показали, что для увеличения энергии ударов давление газа в гидропневмоаккумуляторе рак необходимо увеличивать. Однако значение рак должно ограничиваться минимальным давлением рабочей жил-кости: Раїґфнтіп- Следовательно, для минимального давления рабочей жидкости, напримерр„=6 МПа,рЛк=5...5,5 МПа.
Свойства рабочей жидкости р и v и материала мембраны гидропневмо-аккумулятора ju не имеют значительного влияния на изменение энергии ударов.
Геометрические параметры бойка d]h d]2, d]3, dm - должны быть выбраны таким образом, чтобы боек по форме приближался к гладкому цилиндрическому стержню. Как было отмечено ранее, это позволяет генерировать ударный импульс прямоугольной формы, который содержит наибольшее количество энергии. Выравнивание значений dUy di2, d13, dm ведет к увеличению давления рабочей жидкости рн. Кроме того, значение минимального эффективного диаметра бойка, которое должно быть не менее 20 мм, длина бойка должна быть не менее 300 мм. Эффективное для упрочнения СИО ППД соотношение длин и площадей поперечных сечений бойка и волновода: L/ =3...5, F/F2=\..3
Параметры трубопровода /н. ., /M.mp,. D ., Т с.тр., Rz н.щ» Rz н.тР значительно влияют на потери давления рабочей жидкости подводящейся к ГМИ. Их выбор должен производится в соответствии с возможностями базирования ГМИ и основываться на опыте изготовления подобных конструкций трубопроводов.
Основными конструктивными параметрами, определяющими габаритные размеры ГМИ являются масса т и рабочий ход бойка /р-х. Рабочий ход бойка определяет также требуемый расход QH. Ход бойка должен соответствовать требуемому объему разгонной полости ГМИ, которая, в свою очередь, выбирается в соответствии с подаваемым расходом. Вместе с давлением рабочей жидкости рн, расходом Q„ и частотой ударов/ масса бойка т и рабочий ход /р.х в основном определяют энергию ударов ГМИ. При работе ГМИ регулировка энергии ударов осуществляется, как правило, только давлением рабочей жидкости pHi а расход QH остается постоянным и максимальным. Следовательно по полученной модели необходимо определить зависимость А=/(т, 4.x, Р Исследования параметров проводились в следующем диапазоне: /иі=3,5...7,5 кг, р.х=0,01...0,05м,р„=6...22МПа,/=10...40Гц.
При выборе гидроударников необходимо, чтобы рекомендуемая граница скорости ударов бойка соответствовала 8... 10 м/с. Ее превышение требует высоких прочностных свойств от материала бойка, несоблюдение которых может привести к его разрушению. Поэтому, например, для масс 3,5...7,5 кг энергия ударов не должна превышать 175...370 Дж. Для выбранного диапазона конструктивных и настроечных параметров ГМИ расход рабочей жидкости принят постоянным Qn=50 л/мин при котором скорость ударов бойка не превышает 10 м/с.
В данном диапазоне регулирования максимальная энергия ударов ,4=370 Дж достигается при нагружении бойком массой /И/=7,5 кг, с частотой /=20 Гц при давлении /?н=14 МПа и рабочем ходе бойка /р.х=0,(і5 м (рис. 3.4 к), а также при/=30 Гц,/?н=22 МПа и =0,03 м (рис. 3.4 л). Сравнение КПД гидроударников с такими параметрами показывает, что в первом случае оно составляет 63 %, а во втором 60%, однако второй случай часто бывает более предпочтителен, так как позволяет значительно увеличивать производительность процесса СИО за счет увеличения в 1,5 раза частоты ударов. Аналогичная картина наблюдается и для меньших масс бойка ГМИ. Так для /И/=5,5 кг при/=20 Гц/?н=10 МПа, =0,05 м максимальная энергия ударов ,4=267 Дж при этом КПД составляет 64 % (рис. 3.4 е); при 30 Гц, р„=14 МПа, 4.х=0,03 м -.4=250 Дж и КПД также составляет 64 % (рис. 3.4 ж). Для т7=3,5 кг при/=20 Гц, /7„=14 МПа, 4 . =0,04 м - ,4=173 Дж, КПД 30 % (рис. 3.4 б); при /=30 Гц,рн=12 МПа, 4 . =0,03м -,4=173 Дж, КПД 52 % (рис. 3.4 в).
Из последнего случая (рис. 3.4 в) видно, что использование ГМИ с бойком малой массы при низкой частоте ударов нерационально из-за низкого КПД. Вместе с тем увеличение частоты ударов для ГМИ с большой массой бойка приводит к снижению энергии. При увеличении частоты повышается скорость и одновременно снижается время разгона, по истечению которого золотник распределителя переключается в положение взвода в результате боек, не доходя до конца рабочего хода, перехватывается и начинает двигаться на взвод. Однако в этих случаях энергия ударов может быть повышена за счет увеличения давления рабочей жидкости.
Экспериментальные исследования влияния технологических параметров статико-импульсной обработки на глубину и равномерность поверхностного слоя
Для получения упрочненного поверхностного слоя с требуемыми свойствами необходимо определить возможности их формирования под действием различных технологических параметров СИО.
Очевидно несколько вариантов использования ГМИ при упрочнении СИО [45]: создание упрочненного слоя формируемого ударами с высокой энергией и небольшой частотой за один проход; создание упрочненного слоя формируемого ударами с невысокой энергией, но с большой частотой за несколько параллельных проходов.
Технологическими факторами СИО являются: геометрические параметры бойка и волновода, величина предварительного статического поджатия инструмента к упрочненной поверхности, форма и размеры инструмента, подача, частота импульсов [62, 63, 102, 103, 104, 112].
Геометрические соотношения бойка и волновода определяют форму ударного импульса. Исходя из условий упругопластической деформации при упрочнении выбирается такая форма ударных импульсов, которая позволяет повысить эффективность динамического нагружения. В соответствии с этим для ударной системы принимаются геометрические соотношения бойка и волновода, отвечающие наиболее широким технологическим возможностям.
Величина предварительного статического поджатия инструмента к упрочняемой поверхности Рст определена как Pcm 0,01P„, где Ри - динамиче -109 ская составляющая деформирования [19]. Предварительное статическое под-жатие способствует более полной реализации ударного импульса при нагру-жении, что увеличивает КПД процесса.
Среди параметров, характеризующих импульс, наиболее гибким является энергия ударов. Изменение энергии ударов, в отличие от изменения формы импульса, не требует изменения размеров элементов ударной системы. Энергия импульсов может регулироваться только за счет изменения настроечных параметров ГМИ.
В производственных условиях упрочнение СИО выполняется на стенде с ГМИ, использующей специально рассчитанную ударную систему боек-волновод, которая генерирует ударный импульс требуемой формы, обладающий необходимыми энергетическими параметрами. Поэтому технологическими факторами СИО будут: энергия и частота ударов, скорость подачи заготовки относительно инструмента, форма и размеры инструмента.
При упрочнении СИО, как и вообще динамическими способами ППД, упрочненный слой формируется в результате наложения множества пластических отпечатков, получаемых под действием динамической нагрузки. Наиболее простым и в тоже время общим случаем является упрочнение плоских поверхностей деталей.
Согласно [19] при единичном вдавливании инструмента в форме шара под отпечатками образуется наклепанная зона, распределение по глубине которой зависит от диаметра отпечатка d следующим образом: (0,4...0,6)- / -вдоль поверхности, (1,4...1,6)- /- вглубь поверхности. При перекрытии единичных отпечатков степень, глубина и равномерность наклепа поверхностного слоя будет зависеть не только от размеров пластических вмятин, но и от степени (коэффициента) их перекрытия.
Степень перекрытия пластических отпечатков, полученных в результате динамического вдавливания при СИО, выбиралась в зависимости от ха -110 рактерного размера отпечатка, измеряемого в направлении смещения очага деформации 8, и расстояния между центрами отпечатков хц, мм (рис. 4.1):
Для обеспечения максимальной производительности процесса желательно работать с минимальным перекрытием, обеспечивающим требуемую глубину, степень и равномерность упрочнения.
Технология машиностроения в настоящее время не дает рекомендаций по режимам деформационной обработки, обеспечивающим управление процессом упрочнения и создания слоев с различным перепадом твердости. Исследования, посвященные влиянию перекрытия на глубину, степень и равномерность упрочнения при динамическом вдавливании инструмента, ранее не проводились.
Для обоснованного выбора коэффициента перекрытия пластических отпечатков К необходимо проведение экспериментальных исследований и построение зависимостей HV=f(K, hy) (где hy - глубина упрочнения, HV -твердость упрочненной поверхности) в диапазоне значений К=-1... 1 для плоской поверхности детали.
Диапазон изменения К от -оо до 1, однако практическое значение имеет варьирование К в диапазоне -\ К \. Можно выделить несколько характерных вариантов перекрытия отпечатков: - К 0, когда расстояние между центрами отпечатков хц $, то есть отпечатки не перекрываются (рис. 4.1 б); - К=0, когда x4=S - края отпечатков граничат друг с другом (рис. 4.1 в); - 0 ЛГ 1, когда хц 8- отпечатки перекрываются (рис. 4.1 г, д); - /Г=1, когда хц=0 - полное перекрытие, удары наносятся в одно и то же место (рис. 4.2 а).
Согласно [58], перекрытие наклепанных областей под единичными отпечатками начинается с момента хц=2д, что соответствует коэффициенту перекрытия К= -1 (рис. 4.1 б). В этом случае наклепанный слой под упрочненной поверхностью имеет минимальную степень и глубину упрочнения. Материал детали упрочнен неравномерно и характеризуется наличием упорядочено расположенных пятен повышенной твердости. С увеличением коэффициента перекрытия {К -\) увеличивается степень, глубина и равномерность наклепанного слоя и при А=1 степень наклепа под отпечатками будет соответствовать частному случаю многократного вдавливания инструмента без смещения инструмента относительно заготовки.
В результате многократного вдавливания глубина и степень наклепа, зависящая от размера единичного отпечатка, свойств обрабатываемого материала и геометрических параметров инструмента, будут возрастать до 8 ... 14 ударов. При этом возможно формирование дефектного слоя, возникающего в результате перенаклепа сопровождающегося уменьшением твердости, шелушением и отслоением частиц металла.
