Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования 6
1.1. Современные способы и устройства для обработки деталей в центробежно-уплотненном потоке свободного абразива (ЦУПСА) 6
1.2. Особенности процесса резания при обработке деталей в ЦУПСА
1.3. Факторы, влияющие на производительность обработки деталей в потоке свободного абразива 36
1.4. Цель и задачи исследования 37
2. Исследование процесса обработки асимметричных деталей в ЦУПСА . 39
2.1. Центробежно-силовое поле и его использование для получения ЦУПСА
в поле земного тяготения 39
2.2. Основные закономерности обтекания влажно-сыпучим потоком свободного абразива твердых асимметричных тел 51
2.3. Интенсификация процесса обработки асимметричных деталей с использованием ЦУПСА
2.4. Выводы по главе 63
3. Экспериментальные исследования процесса финишной обработки асимметричных деталей в ЦУПСА 64
3.1. Экспериментальная установка. Методики проведения исследований 64
3.2. Результаты сопоставительных расчетных и экспериментальных исследований 68
3.3. Обеспечение качества обработки асимметричных деталей в ЦУПСА при широком варьировании параметров 98
3.4. Выводы по главе 118
4. Новые устройства для обработки асимметричных деталей в ЦУПСА 119
4.1. Принцип действия, особенности конструкции устройств для обработки асимметричных деталей в ЦУПСА 119
4.2. Энергетические затраты при использовании нового устройства 126
4.3. Технологические рекомендации по обработке асимметричных деталей в ЦУПСА с применением новых устройств 128
4.4. Выводы по главе 131
Общие выводы и заключения по диссертации 132
Список литературы 133
Приложение 143
- Особенности процесса резания при обработке деталей в ЦУПСА
- Основные закономерности обтекания влажно-сыпучим потоком свободного абразива твердых асимметричных тел
- Результаты сопоставительных расчетных и экспериментальных исследований
- Энергетические затраты при использовании нового устройства
Введение к работе
В современном машиностроении наряду с совершенствованием уже существующих технологических процессов и методов обработки деталей, разрабатываются новые, более высокопроизводительные методы, позволяющие значительно расширить класс обрабатываемых деталей, при соблюдении всех требований к точности изготовления, но отличающиеся простотой и надежностью конструкции машин, на которых они реализуются.
Известно, что долговечность работы деталей определяется не только материалом, из которого они изготовлены, но также свойствами и состоянием их поверхностного слоя. Изготовление деталей из одного и того же материала, но по различной технологии и режимам, приводит к значительному колебанию состояния их поверхностного слоя. При этом долговечность работы таких деталей может меняться в несколько десятков раз. Все это свидетельствует о большом значении финишных методов обработки в технологическом процессе изготовления деталей.
При этом особенно актуальными являются вопросы совершенствования финишной обработки деталей, имеющих сложную геометрию поверхности, так как несмотря на многообразие способов обработки, изготовление таких деталей с требуемой шероховатостью поверхности приводит к значительным материальным затратам из-за наличия больших технологических трудностей.
Одним из возможных путей решения этой проблемы является применение на финишных операциях установок, в которых заложен принцип обработки изделий уплотненным потоком свободного абразива. Уплотнение абразива происходит под действием центробежных сил, а сам процесс обработки происходит в результате контактирования поверхности обрабатываемой детали с уплотненным абразивным потоком в результате их относительного перемещения.
Центробежно-силовое поле заставляет абразивную массу формироваться в некоторое кольцо, которое воздействует на погруженную в него деталь, обтекая и обрабатывая все труднодоступные места, к которым сложно добраться другими известными способами обработки. Причем, чем больше степень уплотнения абразива, тем сильнее зерна прижимаются к обрабатываемой поверхности и тем выше будет производительность обработки.
Несмотря на очевидные достоинства этот способ не получил к сожалению широкого распространения в современной промышленности и является в определенных своих аспектах недостаточно изученным.
Таким образом, учитывая актуальность вопроса, назрела необходимость проведения ряда исследований по раскрытию еще до конца не изученных сторон и скрытых возможностей, которые несет этот способ, особенно при обработке сложнопрофильных асимметричных деталей.
Особенности процесса резания при обработке деталей в ЦУПСА
В случае обработки деталей свободным абразивом зерно не имеет жесткого закрепления, как в абразивном круге или ленте и под действием центробежных сил плотно прижимается к обрабатываемой поверхности. При этом оно занимает устойчивое положение, опираясь в подавляющем большинстве случаев, если позволяют соседние зерна, на две вершины и более. Исследования ряда авторов [2] показали, что при многократном увеличении абразивные зерна различных зернистостей имеют сложную форму и существует большое количество вершин с различными радиусами округления (рис. 1.12), которые формируют индивидуальный профиль зерна.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями было доказано [2], что при обработке поверхностей деталей уплотненным потоком свободного абразива процесс микрорезания отсутствует. Это высказывание справедливо для определенного диапазона нормальных давлений, имеющих место в ходе проведения экспериментальных работ. Теоретически и практически способ обработки деталей в ЦУПСА позволяет получить нормальные давления, при которых микрорезание будет обеспечиваться, если не всеми абразивными зернами, то какой-то их определенной частью.
Термин "микрорезание" используется в шлифовании, так как этот вид обработки рассматривается как процесс массового микрорезания (царапания), при котором снимается весьма малые толщины стружек отдельными зернами шлифовального круга.
Авторы ряда работ отмечают, что профиль поверхности вершины абразивного зерна представляет собой совокупность чередующихся микровпадин и микровыступов, которые в свою очередь состоят из системы субмикровыступов и субмикровпадин [18, 19].
Е.Н.Масловым впервые было высказано предположение, что микровыступы и субмикровыступы вершин абразивных зерен играют роль самостоятельных царапающих элементов, которые снимают стружки толщиной в 10 и 100 раз меньше по сравнению с основным царапающим элементом - вершиной абразивного зерна.
Эта информация косвенно подтверждается исследованиями В.В.Пузанова и М.Л.Каракуловой [20], которые выявили, что при внедрении зерна в металл, на поверхности субмикрорельефа активной вершины абразивного зерна часто образуется система субмикрорисок.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что процесс резания (царапания) осуществляется не только отдельными острыми гранями абразивного зерна, но и более мелкими острыми вершинами, расположенными на этих гранях.
Известно, что в абразивных зернах имеется определенный процент вершин с острыми углами (а 90). Количество этих вершин по данным И.В.Лаврова [21, 36] зависит от зернистости абразива. Например, в абразиве карбида кремния зеленого зернистостью 40 их содержится 15,5%. Эти данные перекликаются с работами ряда авторов [37, 38, 39, 40, 41], в которых проводилась оценка габаритов абразивного зерна, оценка углов при вершинах, соотношение размеров и углов и др. Поэтому в начальный период обработки, когда вершины абразивных зерен еще не вступают в работу и имеют минимальный радиус округления, и неровности профиля обрабатываемой поверхности находятся в исходном состоянии и соответствуют 5-6 классам шероховатости, возможно микрорезание.
На этой стадии оно производится только отдельными острыми вершинами абразивных зерен [2] при благоприятном расположении их к обрабатываемой поверхности. Это имеет место при повороте абразивных зерен, когда они располагаются к поверхности одной острой вершиной. Срезаются при этом наиболее выступающие неровности профиля поверхности. Доказательством наличия микрорезания на этой стадии является обнаруженная стружка в виде нитей и частиц металла небольших размеров. Разумеется это является возможным при достаточно больших давлениях абразива на обрабатываемые поверхности, которые достигаются за счет режимов обработки. Толщина стружек мала, так как внедрение абразивных зерен производится на небольшую глубину. По данным [2, 23] основная часть абразивных зерен производит пластическое деформирование, снимая параллельно небольшой слой металла за счет микровыступов и субмикровыступов.
На второй стадии обработки, которая начинается по прошествии нескольких минут, не происходит столь заметного съема металла, как в первые несколько десятков секунд обработки, ввиду того, что основные неровности обрабатываемой поверхности удалены.
Большая часть абразивных зерен производит упругое и пластическое деформирование. В следствие кристаллического строения абразивных зерен и присутствия дислокаций при выкрашивании их вершин появляется новый микропрофиль, имеющий примерно такие же по величине микровыступы и микровпадины.
Таким образом пластическое деформирование, сопровождающее процесс резания свободным абразивом, имеет ряд особенностей по сравнению с другими методами обработки металлов [95.. .99].
Исследования, выполненные И.В.Лавровым в работе [22], показали, что при изломе абразивных зерен всегда образуется новый субмикропрофиль, параметры которого зависят от абразивного материала. В следствие этого съем металла на уровне микроскобления и субмикроскобления будет продолжаться. Нормальное давление абразивного зерна на обрабатываемую поверхность остается практически постоянным и достаточным для обеспечения резания металла на этом уровне.
Приведенный анализ особенностей процесса резания в ЦУПСА позволяет определить характер сил, действующих при микрорезании единичным абразивным зерном. Как известно при обработке деталей уплотненным потоком свободного абразива имеет место относительное перемещение абразивного зерна и обрабатываемой поверхности. Абразивное зерно в зоне контактирования с поверхностью вдавливается в металл на некоторую глубину h под действием суммарной силы PN, которая создается центробежными силами и давлением лежащих выше слоев абразивных зерен. При абразивной обработке на единичное зерно будут действовать приведенная нормальная сила Q и сила трения Г (рис. 1.13). Эти силы можно приложить в некоторой точке в середине дуги контактирования абразивного зерна с металлом.
Основные закономерности обтекания влажно-сыпучим потоком свободного абразива твердых асимметричных тел
Способ обработки деталей уплотненным потоком свободного абразива имеет характерные особенности взаимодействия абразива с обрабатываемой поверхностью. Уплотненный абразивный слой хорошо облегает профиль детали и под действием центробежных сил постоянно прижимается к обрабатываемой поверхности. Податливость уплотненного абразивного слоя и давление лежащих выше слоев абразивных частиц создает практически равномерное контактное давление на всех участках сложного фасонного или асимметричного профилей поверхности обрабатываемых деталей и обеспечивают равномерный съем металла. Потребностей в решении каких-либо вопросов, связанных с профилированием абразивного инструмента или с его балансировкой, в данном способе не возникает.
Жесткая связь между уплотненным абразивным слоем и поверхностью обрабатываемой детали в данном способе отсутствует, в связи с чем к точности базирования обрабатываемых деталей не предъявляется никаких требований.
В рассматриваемом способе обработки абразивные зерна при контактировании с обрабатываемой поверхностью могут занимать произвольное положение. Экспериментальные исследования и попытки установить какую-либо закономерность в ориентировании и расположении зерен на обрабатываемой поверхности показали случайный характер этого процесса. Было установлено, что расположение контактирующих абразивных зерен на обрабатываемой поверхности носит равновероятностный характер, если рассматривать не единичное зерно, а их совокупность в уплотненном состоянии [2]. Значит абразивное зерно может контактировать с поверхностью любой своей вершиной, гранью, ребром с одинаковой вероятностью.
Кроме этого, размеры абразивного зерна, т.е. его длина, ширина, толщина, радиусы округления вершин, углы при вершинах носят тоже случайный характер и могут быть ориентировочно оценены только статистическими характеристиками. Если принять во внимание, что сами абразивные зерна по форме бывают различными, то становится ясно, что задача раскрытия абразивного воздействия на поверхность в рассматриваемом способе является весьма сложной.
Существенное влияние на процесс обработки потоком свободного абразива оказывает количество абразивных зерен, участвующих в контактировании с поверхностью, а также характер самого контактирования. Известно, что в случае обработки связанным абразивом, например, при шлифовании абразивными кругами, зерна на поверхности круга располагаются на определенном расстоянии друг от друга. Число абразивных зерен на поверхности шлифовального круга и длина дуги контакта с обрабатываемой деталью определялись во многих работах [39, 78, 18 и др.].
По данным [18], среднее наиболее вероятное расстояние между зернами в шлифовальном круге можно определить как 1ф = 1,75 -10, где 10 - средний, наиболее часто встречающийся размер зерен в поперечнике.
На поверхности шлифовального круга абразивные зерна размещаются на различной высоте. Исследованиями установлено, что половина зерен располагается с разницей уровня по высоте не более 0,05 мм. Из этого можно сделать вывод, что только половина абразивных зерен может принимать участие в резании, а часть зерен второй половины будет оказывать упругое и пластическое деформирование. Значит, фактическое расстояние между абразивными зернами, принимающими участие в резании, составит L = 3,5 l0.
По данным работы [79], при обработке связанным абразивом количество режущих зерен в зависимости от давления на круг составляет 4-17%. В обычных условиях шлифования в резании принимает участие 10% абразивных зерен, 12% оказывает давление на обрабатываемую поверхность, а 78% фактически не принимают участия в абразивной обработке.
В ЦУПСА расстояние между зернами уменьшается из-за отсутствия связки. Абразивные зерна находятся в состоянии плотной упаковки и, прижатые центробежными силами к обрабатываемой поверхности, образуют более плотный дискретный режущий слой, чем в случае обработки связанным абразивом. Поэтому среднее расстояние между центрами абразивных зерен, находящимися в контакте с обрабатываемой поверхностью, можно принять равными среднему размеру абразивных зерен, т.е. 1ф =10.
Таким образом, процесс обработки деталей центробежно-уплотненным потоком свободного абразива имеет ряд характерных особенностей в области абразивного воздействия, которые можно сформулировать в виде следующих закономерностей: 1. Абразивное зерно не является закрепленным, как в абразивных инструментах, а значит контактирует с обрабатываемом материалом не одной определенной вершиной, а последовательно всеми гранями, вершинами и ребрами. В связи с этим форма абразивного зерна играет важную роль. 2. Абразивные зерна прижимаются к обрабатываемой поверхности постоянными по величине силами, значение которых определяется напряженностью центробежного поля. 3. Плотность абразивных зерен в зоне контактирования уплотненного абразивного слоя с обрабатываемой поверхностью будет выше, чем в случае обработки связанным абразивом. Все эти факторы определяют особенности рассматриваемого способа и его отличие от других методов финишной обработки поверхностей различного профиля.
Результаты сопоставительных расчетных и экспериментальных исследований
С возрастанием зернистости абразива съем металла увеличивается и происходит более эффективно. Поскольку при этом растет масса каждого единичного зерна, то при одних и тех же скоростях в момент удара об обрабатываемую поверхность в течение некоторого времени, возникает большая по величине мгновенная сила резания и процесс микрорезания происходит более интенсивно.
Исследование влияния глубины погружения детали в уплотненный поток на производительность обработки производилось на глубинах погружения 10, 20, 30 и 40 мм при различных зернистостях. Для этого, как отмечалось выше, были проведены установочные эксперименты, результаты по которым приведены во второй главе (рис. 2.8, 2.9 и табл. 2.1). На рис. 3.5, 3.6 и табл. 3.3 представлены те же графики, но дополненные расчетами по интенсивности съема металла с применением новой модели. Полученные зависимости подтверждают гипотезу о дополнительном влиянии давления ЦУПСА на производительность обработки на глубинах погружения образцов превышающих 10 мм. Рост давления приводит к возрастанию силы, с которой прижимаются абразивные зерна к обрабатываемой поверхности. Это заставляет последние более глубоко внедряться в металл, обеспечивая увеличение производительности обработки. Данные по зависимости интенсивности съема металла от времени обработки носят, как и предполагалось, линейный характер. Зависимости при глубинах погружения 10 и 40 мм представлены в графической форме (рис. 3.7-3.12), а при 20 и 30 мм в табл. 3.4. Линейный характер полученных зависимостей говорит о равномерном съеме металла во времени и подтверждает устойчивый характер протекания процесса обработки.
Анализ представленной информации подтверждает теоретические предпосылки зависимости производительности от указанных факторов, приведенные в третьем параграфе 1-й главы и перекликается с аналогичными исследованиями, проведенными в работе [2].
Эмпирические зависимости проходили необходимую статистическую обработку. По данным [80, 81] известно, что функции, подобные тем, что были рассмотрены выше, хорошо аппроксимируются полиномами 1-й и 2-й степени. Математическая обработка имеющихся данных осуществлялась по методу малой выборки (см. приложение). Анализ экспериментальных данных показал, что среднее отклонение между расчетными и экспериментальными точками не превысило 16%, что является вполне допустимым. В ходе эксперимента было также выявлено, что по сравнению с базовой моделью, в которой отклонения превысили в некоторых точках 50%, уточненная модель дала удовлетворительную сходимость. Указанное свидетельствует о том, что выполненная модификация модели является вполне допустимой для использования в практике инженерных расчетов.
На основе модели (2.38), представленной во второй главе, может быть решена задача максимального увеличения производительности в пространстве варьируемых параметров. Однако существует очень важное техническое ограничение, определяющее качество поверхностного слоя при обработке. Данное ограничение составляет шероховатость обрабатываемой поверхности, а также остаточные напряжения в поверхностном слое и микротвердость.
По данным [2] при сходных режимах обработки, микротвердость поверхностного слоя повышается в результате обработки на 10...12% при глубине залегания 20...25 мкм. В поверхностном слое формируются значительные сжимающие остаточные напряжения, которые существенно повышают усталостную прочность деталей при циклическом нагружении. Эти напряжения возникают также за счет пластического деформирования и структурных превращений в поверхностном слое в процессе абразивного воздействия.
В предлагаемой работе были проведены выборочные замеры микротвердости и остаточных напряжений образцов, подвергающихся обработке на различных режимах. Полученные данные подтверждают информацию, приведенную выше [2]. Кроме того, проведение обработки на максимальных скоростях и глубинах погружения, соответствующее предельным значениям давления ЦУПСА, показало низкотемпературное протекание процесса обработки. При-жогов, резко снижающих качественные характеристики и эксплуатационные свойства деталей машин, за все время проведения опытов не наблюдалось.
В связи с вышесказанным, наибольшее внимание в дальнейшем будет уделено шероховатости обрабатываемой поверхности, как одному из самых важных показателей качества обработки [100]. Достоверно известно, что в пространстве варьируемых параметров существует область, в которой выполняется условие: Ra [Ra]- (3.4) Применительно к рассматриваемой модели может быть получена эмпирическая модель Ra = Ra(np,z,z,h). Для получения параметров указанной модели были проведены экспериментальные исследования. В связи со слабой изученностью процесса шлифования в ЦУПСА, особенно на больших глубинах погружения образцов, было принято решение отказаться от применения теории планирования эксперимента, т.к. достаточно сложно прогнозировать квазилинейное поведение модели в пределах варьируемых параметров. Стратегия эксперимента была построена таким образом:
1. Проведение совокупности экспериментов по следующему плану: один параметр варьируется, другие замораживаются; по этим данным строится совокупность однопараметрических моделей на основе полимиальной аппроксимации уравнений 1 -го или 2-го порядка.
2. Построение совокупности поверхностей отклика, построенных по следующим правилам: параметр г задается фиксировано (т = 30 с) и не меняется во всех экспериментах; параметр h задается дискретно; для каждого дискретно заданного h строится функция отклика Ra =Ra[z,np).
На рис. 3.13-3.20, табл. 3.7 представлены значения шероховатости поверхности Ra и ее зависимость от времени обработки и числа оборотов ротора при различных зернистостях (Z10, Z25). На рис. 3.21, 3.22, табл. 3.8 предложены значения шероховатости Ra и ее зависимость от скорости вращения ротора при указанных зернистостях. В табл. 3.6 сведены значения варьируемых параметров.
Энергетические затраты при использовании нового устройства
Важнейшей характеристикой любого механизма являются затраты энергии, необходимые для осуществления этим механизмам того или иного действия. В настоящее время существует множество различных методик для расчета затрат мощности, каждая из которых адаптирована к машине или процессу, в ней происходящему. Приведенная ниже методика может вполне использоваться в расчетах затрат мощности при обработке деталей в ЦУПСА.
Анализ сопоставительных расчетных и экспериментальных исследований энергетических затрат предполагаемого устройства показал расхождение в пределах 10%, что является вполне приемлемым для применения в практике инженерных расчетов.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а так же разработанных на уровне изобретения оригинальных конструкций новых устройств, по состоянию вопроса можно сказать следующее.
Метод обработки уплотненным потоком свободного абразива дает возможность получить поверхность деталей с шероховатостью, соответствующей 10-11 -му классам.
При обработке деталей в ЦУПСА за один переход, не меняя абразива и режимов обработки, шероховатость поверхности обрабатываемой детали может быть доведена с 6-го до 10-го класса.
Обеспечивается это, как уже отмечалось выше, за счет особенностей характера абразивного воздействия, к числу которых можно отнести: 1. Высокую плотность абразивного контактирования; 2. Съем металла за счет микроскобления и субмикроскобления; 3. Возможность самозатачивания абразивных зерен и контактирования их с обрабатываемой поверхностью различными сторонами, гранями, вершинами. Повышение микротвердости и наклепа поверхностного слоя оказывает положительное влияние на износостойкость, усталостную прочность и контактную выносливость поверхностей деталей. Важнейшим эксплуатационным преимуществом является то, что при допустимой шероховатости поверхности после обработки в металле поверхностного слоя, наводятся остаточные напряжения сжатия, что также способствует увеличению усталостной прочности деталей.
В результате того, что наряду с процессами резания имеет место пластическое деформирование, микрорельеф обрабатываемой поверхности имеет так называемую платообразную форму, что в значительной степени способствует увеличению износостойкости поверхности и смачиваемости в контактных соединениях.
Характерной особенностью рассматриваемого способа, как уже отмечалось, являются низкие температуры процесса. При обработке деталей в ЦУПСА во всем исследованном диапазоне зернистостей и режимов обработки не наблюдались прижоги и значительные колебания температуры в зоне резания.
К числу важнейших преимуществ этого способа можно отнести так же стабильность процесса обработки сложнопрофильных и фасонных поверхностей, имеющих большое количество труднодоступных мест. При этом не требуется применение специального инструмента, количественные и качественные характеристики процесса не зависят от квалификации рабочего.
Все это свидетельствует о широких возможностях варьирования режимов и абразивных материалов, непритязательности и общедоступности способа обработки.
Предложенное в этой главе новое устройство для обработки деталей в ЦУПСА [82], как уже отмечалось выше, имеет возможность регулирования относительных скоростей перемещения ЦУПСА и обрабатываемой детали в весьма широком диапазоне. Кроме всего прочего, конструкция устройства позволяет производить обработку деталей с разных сторон, обеспечивая равномерность съема металла по всей поверхности.
Назначение технологических рекомендаций применительно к рассматриваемому устройству во многом определяет марка стали, из которой изготовлена деталь, и состояние ее поверхностного слоя.
В любом случае, необходимо при соблюдении требований к шероховатости поверхности, которые задаются чертежем, стремиться к максимально возможной производительности обработки, зависящей, как показали исследования, в первую очередь от скорости вращения ротора, зернистости применяемого абразива и времени обработки.
Эту задачу можно решить в методике, описанной в 3-й главе. Для этого необходимо: 1. Построить эмпирические модели вида Ra = Ra(V,Z,z). Поскольку в конструкции устройства заложена непрерывно меняющаяся глубина погружения деталей в ЦУПСА, то одним из параметров будет не число оборотов ротора и глубина погружения, а скорость резания, представляющая собой разницу в относительных скоростях вращения ротора и барабана с обрабатываемыми деталями, т.е. V = VP-VB,M/C. (4.14) Для определенности Vp можно принять равной скорости на среднем радиусе погружения деталей в ЦУПСА. 131 2. Построить поверхность отклика при Ra =Ra\V,Z\, время обработки т фиксировано. 3. Нанести на поверхность отклика границу равного качества при Ra равной шероховатости заданной чертежом. 4. Назначить V и Z, максимально приближенными к границе равного качества и гарантирующими наибольшую производительность обработки. Предварительные экспериментальные исследования, проведенные на новом устройстве, показали снижение шероховатости поверхности на несколько классов за 50 с обработки при максимально возможной V. Таким образом, предложенное устройство обладает хорошими технологическими возможностями и может использоваться в финишной обработке сложных асимметричных деталей.
