Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ по проблеме погрешностей виброударной обработки. Постановка цели и задач исследований 14
1.1. Классификация деталей сложной формы с малой изгибной жесткостью, чувствительных к погрешности виброударной обработки 14
1.2. Физическая сущность и технологические возможности процессов виброударной обработки деталей сложной формы 17
1.3. Влияние виброударной обработки на эксплуатационные свойства изделий 19
1.4. Обзор исследований по проблеме погрешностей виброударной обработки ..21
1.5. Характеристика методов теоретических исследований погрешностей виброударной обработки деталей сложной формы 28
1.6. Постановка цели и задач исследований 30
Глава 2. Методика теоретических и экспериментальных исследований погрешностей виброударной обработки 34
2.1. Методика теоретических исследований скоростных, энергетических и технологических параметров виброударной обработки 34
2.2. Аппаратурное и программное обеспечение численного моделирования процесса виброударной обработки на ЭВМ 38
2.3. Методика экспериментального исследования погрешностей съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений 39
2.4. Оборудование и приспособления для виброударной обработки 41
2.5. Типовая деталь, макеты деталей, образцы-свидетели 45
2.6. Абразивные гранулы, стальные шарики и технологические жидкости инструментальной среды 49
2.7. Приборы для измерения съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений 50
Глава 3. Теоретическое исследование скоростных и энергетических параметров процесса виброударной обработки 51
3.1. Построение математической модели взаимодействия инструмента с деталью и станком 51
3.2. Зазорные характеристики инструментальной среды 56
3.3. Фазовый угол соударений инструментальной среды с деталью 58
3.4. Скоростные параметры взаимодействия инструментальной среды с деталью и станком 61
3.5. Массовые характеристики инструментальной среды 69
3.6. Энергетические параметры процесса виброударной обработки 72
Глава 4. Теоретическое исследование погрешностей технологических параметров процесса виброударной обработки 76
4.1. Исследование погрешности среднеарифметической высоты микронеровностей 76
4.2 Зависимость погрешности степени и глубины наклепа от траектории и скорости колебаний 90
4.3. Влияние траектории и скорости колебаний на погрешность формирования остаточных напряжений 103
4.4. Оценка эффективности различных режимов снижения погрешностей.. 114
Глава 5. Экспериментальное исследование погрешностей виброударной обработки силовой балки для ЗОХГСНА, Д16Т, ОТ4 119
5.1. Последовательность экспериментальных исследований погрешностей виброударной обработки 119
5.2. Исследование погрешностей на макете цилиндрической формы при круговой и эллипсной траекториях колебаний 120
5.2.1. Исследование погрешностей при равномерном вращении макета... 120
5.2.2. Исследование погрешностей без вращения макета и без смены траектории колебаний 123
5.2.3. Исследование погрешностей без вращения макета со сменой эллипсных траекторий 125
5.3. Исследование погрешности съема металла силовой балки 132
5.4. Исследование погрешности высотных параметров шероховатости 139
5.5. Исследование погрешности степени и глубины наклепа балки 142
5.6. Исследование погрешности формирования остаточных напряжений... 147
Глава 6. Определение режимных параметров виброударной обработки с минимальной погрешностью 152
6.1. Аналитическое определения режимных параметров виброударной обработки с минимальной погрешностью 152
6.2. Технологические рекомендации по снижению погрешностей в режиме со сменой траектории колебаний 154
Основные результаты и выводы 158
Список литературы
- Физическая сущность и технологические возможности процессов виброударной обработки деталей сложной формы
- Аппаратурное и программное обеспечение численного моделирования процесса виброударной обработки на ЭВМ
- Фазовый угол соударений инструментальной среды с деталью
- Зависимость погрешности степени и глубины наклепа от траектории и скорости колебаний
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современном машиностроении для финишной отделочно-упрочняющей обработки крупногабаритных деталей сложной формы типа балок, лонжеронов, силовых панелей, рельс закрылков, крыльчаток и дисков скоростных турбин и компрессоров, которые работают в условиях интенсивных динамических нагрузок, используются технологии виброабразивной обработки и виброударного упрочнения, обеспечивающие снижение высотных параметров микронеровностей с Ra5 до Ral,25-0,63мкм, формирование наклепа до 8-15 % и сжимающих остаточных напряжений до 450-650 МПа на глубину до 250-420 мкм, повышение усталостной прочности (для стали 30ХГСНА) на 15-20 % и усталостной долговечности в 1,5-2,5 раза, износостойкости в 2-3 раза (большие значения соответствуют виброударному упрочнению).
Особенностью процессов виброабразивной обработки и виброударного упрочнения является отсутствие кинематической связи инструментальной среды с деталью и станком, а также ее способность приобретать под действием интенсивных колебаний форму обрабатываемой детали. Эти особенности дают возможность производить отделочно-упрочняющую обработку деталей сложной формы, в том числе с недоступными поверхностями для закрепленного лезвийного и абразивного инструментов, однако обуславливают возникновение погрешностей съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений.
Погрешности формирования поверхностного слоя у деталей сложной формы проявляются по разному. У деталей типа шатунов и силовых кронштейном погрешности формирования остаточных напряжений вызывают погрешности расположения сопрягаемых отверстий, а — шероховатости снижение усталостной прочности и долговечности. У высокоскоростных крыльчаток и дисков погрешности остаточных напряжений вызывают деформацию торцевой стенки и осевую неуравновешенность, а погрешности шероховатости .— вызывают повышенное гидравлическое сопротивлений и турбулентность [56]. У цельно фрезерованных панелей и силовых балок - помимо снижения прочности, погрешности остаточных напряжений вызывают коробление и необходимость выполнения дополнительных, пригоночных и регулировочных работ при сборке в стапеле.
Поэтому для крупногабаритных деталей сложной формы, особенно с малой изгибной жесткостью, снижение погрешностей указанных технологических параметров при виброударной обработке до нормативно-допустимых значений является актуальной проблемой.
Одной из причин возникновения погрешностей при виброударной обработке деталей сложной формы является низкая точность проектирования технологии, которая в настоящее время выполняется методом аналогов, когда поиск рациональных режимов осуществляется приближенно расчетами и более точно - за счет многократной экспериментальной отработки процесса по образцам свидетелям вначале на макетах, в последующем - на натурных деталях. Это снижает технологические возможности процесссов виброударной обработки, увеличивает время и затраты на отработку технологии и подготовку производства, повышает риск возникновения брака дорогостоящих деталей.
В практике машиностроительного производства снижение погрешностей при виброударной обработке обеспечивается за счет равномерного вращения или переустановки деталей сложной формы в контейнере. Для крупногабаритных деталей с малой изгибной жесткостью оба метода не эффективны: первый - в связи с конструктивной сложностью, малым ресурсом и низкой надежностью оснастки, второй — в связи с большим временем вспомогательных работ, необходимых для переустановки деталей и перезагрузки инструментальной среды.
Основной причиной возникновения погрешностей при виброударной
7 обработке, как показали исследования настоящей диссертационной работы, являются неравномерности скоростных и энергетических параметров периодических соударений инструментальной среды с деталью и станком, которая обуславливается неравномерностью динамических зазоров и скорости периодических перемещений частиц инструмента, фазового угла и массы соударяющейся группы частиц в разных зонах детали.
В настоящее время механизм и закономерности образования погрешностей при виброударной обработке изучен недостаточно, не установлены закономерности возникновения погрешностей, не определены закономерности влияния режимов обработки на погрешности; не найдены эффективные методы снижения погрешностей- Ранее разработанные теоретические методы исследования процесса, основанные на интегральных упруго-вязко-пластических свойствах инструментальной среды, не позволяют учитывать размеры и форму обрабатываемых деталей. Исследования погрешностей виброударной обработки сопряжены со многими вероятностными явлениями, методика расчета не должна давать погрешности более 20-30 % от номинальных значений исследуемых технологических параметров процесса.
Последнее обстоятельство потребовало разработки нового аналитического метода исследования и численного моделирования погрешностей процесса на персональных компьютерах с большим быстродействием, учитывающего размеры, форму и расположение поверхностей обрабатываемых деталей сложной формы, не требующего трудоемких предварительных экспериментальных исследований, обладающего меньшей погрешностью чем другие методы, не превышающей 25-30 % от номинальных значений технологических параметров.
В диссертационной работе теоретическими исследованиями установлено и экспериментами подтверждено, что за счет смены траекторий колебаний с шагом 20-45 с интервалом времени не более 7,5-18 минут обработки погрешности снижаются до допустимых пределов: съема метала с 39-106 % до
8 26-47 %, среднеарифметической высоты микронеровностей с 19-73 % до 12-51 %, степени наклепа с 12-20 % до 5-12 %, глубины наклепа с 13-20 % до 5-12%, сжимающих остаточных напряжений с 10-18 % до 6-10 %. Меньшие значения - достигаются с большей вероятностью при оптимальном шаге угла и интервале времени смены траектории, при оптимальном поджатии инструментальной среды.
В связи с недостаточной точностью современных методов аналитического определения погрешностей, отработка технологий виброударной обработки производится экспериментально методом проб и ошибок на натурных деталях по образцам-свидетелям, что связано со значительной трудоемкостью и риском возникновения брака дорогостоящих деталей.
В производстве снижение погрешностей осуществляется за счет принудительного равномерного вращения детали. Для деталей не симметричной формы, типа рельс закрылков и др., использовать вращение не представляется возможным, поэтому применяют многократную переустановку. Оба метода не эффективны: первый - в связи со сложностью конструкции оснастки и малым ресурсом подшипников, второй — в связи с большим временем вспомогательных операций.
В связи с изложенным, тема настоящей диссертационной работы актуальна, а выбранное направление исследований, учитывая возрастающую стоимость экспериментов и ограниченность применения результатов одним типом деталей, повышение точности компьютерного моделирования, соответствует современным тенденциям развития наукоемких информационных технологий в современном машиностроении.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой №2001.15 номер государственной регистрации 01.200.1 17673 "Совершенствование технологии механической и физико-технической обработки деталей машин" и основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета "Наукоемкие техно- логии в машиностроении, авиастроении и ракето-космической технике".
Целью работы является снижение погрешности шероховатости, наклепа и остаточных напряжений при виброударной обработке без предварительных экспериментов, за счет смены траекторий и поджатая инструментальной среды, на основе метода математического моделирования, учитывающего размеры, форму и расположение поверхностей деталей сложной формы.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи;
Разработка метода математического моделирования процесса виброударной обработки с учетом размеров, формы и расположения поверхностей деталей сложной формы, обеспечивающего снижение погрешностей до допустимых значений за счет более достоверного определения режимов обработки.
Теоретическое исследование влияния смены траекторий перемещений детали и поджатия инструментальной среды на погрешности высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, остаточных напряжений на различных участках детали.
Экспериментальная проверка достоверности метода математического моделирования и аналитического определения погрешностей виброударной обработки силовой балки.
Разработка технологических рекомендаций по снижению погрешностей деталей сложной формы.
Методы исследования. При теоретических исследованиях погрешностей применяются методы математического моделирования и механики, операционные системы Delphi-6, MathCAD 2000, программный комплекс Gran-Mos и разработанные программы. В качестве средства снижения погрешностей используется смена траекторий. Для оценки достоверности математического моделирования используются экспериментальные исследования на ма-
10 кетах и натурных деталях по образцам из стали ЗОХГСНА, алюминиевого и титанового сплавов Д16Т и ОТ4. На защиту выносятся:
Метод численного моделирования режимов и снижения погрешностей скоростных и энергетических параметров частиц инструментальной среды, технологических параметров виброударной обработки для любого участка детали сложной формы с учетом формы и расположения ее поверхностей.
Закономерности влияния смены различных траекторий периодических перемещений обрабатываемой детали и поджатия инструментальной среды на погрешности скоростных и энергетических параметров конечного множества частиц инструментальной среды; на режимы и погрешности съема металла, среднеарифметической высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, сжимающих остаточных напряжений.
Результаты экспериментального исследования достоверности метода численного моделирования процесса виброударного упрочнения.
Технологические рекомендации по определению режимов и снижению погрешностей виброударной обработки деталей сложной формы за счет оптимальных углов и времени смены траектории периодических перемещений детали и поджатия инструментальной среды.
Научная новизна работы.
Построена геометрическая модель виброупрочняющей технологической системы станок - инструмент - деталь, отличающаяся тем, что для учета размеров, формы и расположения поверхностей, деталь сложной формы строится в масштабе в сечениях, расположенных в плоскости колебаний, из отрезков прямых, кривых второго-третьего порядка, а свободное пространство между ними заполняется конечным множеством частиц инструментальной среды с зазорами.
Разработана математическая модель периодических соударений частиц инструментальной среды с различными участками детали сложной формы, отличающаяся тем, что для достоверного численного моделирования без предварительных экспериментов упруго-диссипативные, зазорные и массовые характеристики, время и координаты положения частиц и участков детали вычисляются с малым дискретным временным шагом посредством фазовых траекторий и приоритетного интегрирования.
Разработана математическая модель формирования погрешностей среднеарифметической высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, сжимающих остаточных напряжений на различных участках поверхности детали, отличающаяся тем, что процесс моделируются в поперечных сечениях детали в плоскости колебаний, а в продольных сечениях осуществляется выборка соответствующих параметров из поперечных сечений, по которым определяются погрешности для любой поверхности детали с учетом ее размеров, формы, расположения, исходного состояния и физико-механических свойств.
Установлено, что основными причины возникновения погрешностей являются отсутствие кинематической связи инструментальной среды с деталью и станком, неравномерность динамической плотности частиц, скорости и фазы их периодических соударений с различными участками детали.
5. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что за счет смены траекторий периодических перемещений детали на угол не более угла ударного трения, равного от 23 + 30' до 45, через 3-7,5 мин. обработки при поджатии инструментальной среды п = 0,03 +0,05 (Aco2/g) обеспечивается снижение погрешностей виброударной обработки с закреплением без вращения детали до допустимых значений, соизмеримых с погрешностями при ее равномерном вращении, с повышением ресурса оснастки в 5-7 раз.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений теоретических исследований, применением апробированных методов математики и механики; экспериментальными исследованиями процесса виброударной обработки для раз-
12 личных материалов и деталей.
Практическая значимость и реализация результатов. Разработанный метод численного моделирования повышает в полтора - три раза точность аналитического определения режимов виброударной обработки; снижает относительные погрешности высоты микронеровностей с 19-73 % до 12-51 %, степени наклепа с 12-20 % до 5-12 %, остаточных напряжений с 66-112 % до 9-14 % - соизмеримых для случая с равномерным вращением деталей и в 1,5-2,4 раза меньших, чем при обработке без вращения, повышает равно прочность и эксплуатационные показатели деталей; снижает затраты на отработку технологии.
Программный продукт и технологические рекомендации переданы в НИИАСПК для последующего использования и совместного внедрения при проектировании технологий виброударной обработки, материалы диссертации применяются в учебном процессе ВГТУ по курсу "Технология машиностроения " и дипломном и курсовом проектировании..
Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на научно-технических семинарах "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях". Ростов-на-Дону, 2000, 2001,2004 г.;
2-й международной научно-технической конференции "Разработка, производство и эксплуатация турбонасосных агрегатов и систем на их основе". Воронеж. 2003 г.; -7-й международной научно-технической конференции "Динамика технологических систем". Саратов. 2004 г.;
5-й международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения". Орел. 2004 г. и др.; на научных конференциях кафедры "Технология машиностроения" в 2000-2004 г. Воронеж; на специализированном семинаре ведущей научной школы по исследуемой проблеме на кафедре "Технология машиностроения" в Донском госу- дарственном техническом университете в 2004 году.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 6 без соавторов, 2 в центральной печати.
Личный вклад автора: [53] - вычислены параметры шероховатости, остаточных напряжений и наклепа, [54] - определены экспериментальные и теоретические погрешности; [55] - сделан анализ влияния виброударного упрочнения на эксплуатационные свойства; [58] - выполнено моделирования виброударной обработки.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложенных на 183 страницах; содержит 86 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 123 наименований и 4 приложения на 12-х листах.
Физическая сущность и технологические возможности процессов виброударной обработки деталей сложной формы
Полученные в результате виброударного упрочнения изменения показателей качества поверхностного слоя обусловливают повышение эксплуатационных свойств образцов, отдельных деталей и изделия в целом.
Усталостная прочность образцов после виброударного упрочнения повышается: для стали ЗОХГСНА до 30-50 %; для алюминиевого сплава Д16Т и В95 до 1,5-2,0 раза; для титановых сплавов - на 20-25 % [9, 122]. Усталостная , долговечность высоколегированных сталей ЗОХГСНА, 20ХЗМФ, ВНС2Ю, ВНС5 повышается в 2,6-2,83 раза, стали ВКС210 - в 4 раза. Малоцикловая усталостная долговечность сталей типа ЗОХГСНА, 20ХЗМФ, ВКС210 повышается в 2,8-3,1 раза, а сталей типа ВНС2 и ВНС - в 4,65-5,4 раза [122]. Установлено, что у сталей типа ВНС2, ВНС5 наибольшее повышение усталостной долговечности наблюдается при наклепе; для сталей типа ВКС210 - при виброударной обработке; для сталей ЗОХГСНА и 07Х17Т влияние наклепа и снижение микронеровностей на повышение усталостной прочности примерно одинаково. Виброударное упрочнение алюминиевого сплава Д16Т после химического оксидирования повышает усталостную долговечность в 3-5 раз [122]. Приведенные данные получены для стандартных образцов. Для натурных деталей повышение усталостной прочности и долговечности за счет виброударного упрочнения несколько ниже. Это связано с конструктивными особенностями деталей, неоптимальным соотношением глубины наклепа к толщине стенок; недостаточной интенсивностью наклепа; наличием концентраторов напряжений [55].
Коррозионно-усталостная долговечность при виброударном упрочнении легированных сталей типа ЗОХГСНА возрастает в 1,5-2,0 раза; для алюминиевых сплавов типа Д16Т - в 3,0-3,5 раза, при анодировании Д16Т с последующим виброударным упрочнением - в 1,2-1,5 раза. Без упрочнения анодирование снижает коррозионно-усталостную долговечность Д16Т до полутора-двух раз [9, 122].
Контактная прочность образцов после виброударного упрочнения повышается до 15-23 %. Для стали XI2Ф1 износ в условиях сухого трения качения с 20 % проскальзыванием приработочный размерный износ снижается в 1,65-2,0 раза [9].
В работе [66] показано, что в результате равномерной упрочняющей обработки эксплуатационная надежность дисков компрессоров газотурбинных двигателей повышается. У шатуна поршневого авиационного двигателя погрешность формирования высотных и шаговых параметров шероховатости снижает усталостную прочность и долговечность [112]. У балки шасси больших размеров погрешность формирования остаточных напряжений вызывает ее коробление и погрешность установки колес шасси; погрешность шероховатости в сочетании с погрешностями остаточных напряжений снижает усталостную прочность и долговечность [122]. У деталей сложной формы с малой изгибной жесткостью типа цельно фрезерованных панелей, лонжеронов, рельс закрылков и балок при погрешностях формирования остаточных напряжений больше допустимых, возникают наиболее значительные отклонения формы и расположения поверхностей, короблений всей детали.
Погрешности формирования шероховатости, наклепа и остаточных напряжений в поверхностном слое детали снижают эксплуатационные характеристики изделий. У крыльчаток и дисков компрессоров и турбин за счет неравномерного формирования остаточных напряжений происходит коробления диафрагмы и бандажа дисков и крыльчаток в осевом направлении и образования в неуравновешенного дисбаланса [21].
Проблеме исследования погрешностей при виброабразивной обработке и виброударном упрочнении деталей сложной формы с малой изгибной жесткостью и влияния погрешностей на их эксплуатационные показатели посвящено немного работ, которые имеют экспериментальный характер.
В одной из ранних работ [23] для амплитуды колебаний 0,9-3,0 мм и частот 35-51 Гц, получены экспериментальные зависимости неравномерности динамического давления в инструментальной абразивной среде грануляции 8-15 и 15-25 мм в U- образном контейнера диаметром 0,40 м. Давление в среде пульсирует в такт колебаниям с отставанием от 1/16 до 1/3 периода колебаний. Неравномерность силового давления равного 0,206-5,684 Н относительно средней величины составляет 20 %. Наибольшее значение давления для всех зон наблюдается в том случае, когда мембрана датчика направлена перпендикулярно и навстречу циркуляционного потока гранул инструментальной среды. Повышение амплитуды колебаний вызывает пропорциональное увеличение давления. Давление в различных зонах вибрирующей инструментальной среды неравномерно: максимум давления наблюдается в зоне подпора частиц, минимум в зоне пересыпания. Скоростная киносъемка через прозрачные торцевые стенки показала, что давление повышается в результате противодействия вибрационного транспортирующего воздействия и силы тяжести. Там где они действуют в попутном направлении, давление уменьшается. Максимальный износ стенок контейнера наблюдается в той зоне, где давление в инструментальной среде максимально.
В теоретической работе [15] исследуется цепочка дискретных масс, соединенных между собой упруго диссипативными связями, при интенсивных колебаниях по эллипсной траектории в режиме с непрерывными подбрасываниями. Используя для описания ударного контакта коэффициент восста новления скорости соударения и мгновенного трения, получено решение распределения сил взаимодействия массы инструментальной среды со стенками контейнера U - образной, комбинированной, прямоугольной и круглой форм. Во всех четырех случаях контейнер совершает колебания по эллипс-ной траектории по ходу часовой стрелки с угловыми колебаниями. Нижняя часть контейнера совершает колебания по траектории горизонтально вытянутого эллипса, а верхняя часть - по траектории вертикально вытянутого эллипса. Ршструментальная среда совершает вибрационные перемещения и циркуляционные перемещения против направления колебания контейнера. Эпюра изменения силы взаимодействия среды с контейнером неравномерна: она монотонно увеличивается от нуля в верхней части к максимальной величине внизу контейнера. У прямоугольной формы контейнера в углах происходит снижение силы взаимодействия. Зависимость средней скорости циркуляции от частоты колебаний для всех четырех форм контейнера имеет экстремальный вид: в контейнере круглой формы экстремум Vu =65 —68 см/с
наступает при меньших частотах равных 120-130 с , для комбинированной формы - \ц = 50 см/с наступает при наибольшей частоте ш = 220-225 с .
В работе [9] при температуре 150 С инструментальной среды, состоящей из стальных шариков из стали ШХ15 диаметром 0,15-0,8 см, амплитуде колебаний контейнера 0,25 см исследуется влияние поджатия на виброударное нанесение цинкового покрытия на шайбах из стали Ст. 3 диаметром 5,0 см. Виброударное нанесение цинкового покрытия осуществлялось в течении 60 мин за счет низкотемпературной диффузии в зоне пластического ударного контакта шариков с поверхностью детали в течении 15 мин при поджатии среды с давлением от нуля до 0,17х 10 Па. Установлено, что в результате виброударной обработки деталей с нанесением цинкового покрытия при оптимальном поджатии среды с давлением 0,1-0,12x10 Па пористость цинкового покрытия снижается с 4-6 % до 1,6-1,8 %.
Аппаратурное и программное обеспечение численного моделирования процесса виброударной обработки на ЭВМ
Применяемый в настоящей работе метод численного моделирования процесса виброударного упрочнения, основанный на дискретно-множественной модели, предусматривает описание различных участков обрабатываемой детали уравнениями отрезков прямой, окружности, параболы и эллипса. Начальные и текущие положения центра каждой из частиц инструментальной среды задаются соответствующими координатами. Обычно моделируется движение от 2000 до 6000 и более частиц вибрирующей инструментальной среды в поперечном сечении технологической системы. В связи большим объемом вычислительных работ для численного моделирования дискретно-множественной модели процесса виброударной обработки используется процессор Intel с тактовой частотой 2-3 ГГц, материнская плата с частотой 845РЕ (Silver Reet), оперативная память не менее 128 Мб с рабочей частотой 333 МГц. При такой комплектации компьютера процедура моделирования 15-20 периодов колебаний с частотой 10-12 Гц процесса виброударной обработки силовой балки, (рис. 2.5), в контейнере диаметром 470 см при заполнении его свободного объема 5650 шариками диаметром 0,5 см занимает реального времени непрерывной работы компьютера около 10-12 часов. В этой связи предъявляются высокие требования к быстродействию, тепловому режиму, стабильности и надежности его работы. При теоретических исследованиях используются численные методы вычислительной математики и моделирования с использованием Delphi-6 и программного комплекса MathCAD 2000 , методы графического отображения информации в системе Windows 2000. Для Ы вычислений скоростей виброперемещений частиц инструментальной среды используется программный продукт GranMos [123], для вычисления скоростей и энергий соударений, погрешностей технологических параметров процесса - нами разработаны специальные программы.
Процессы виброабразивной обработки и виброударного упрочнения основное воздействие оказывают на формирование параметров шероховатости Rz; Ra; Sm; tp; остаточных напряжений о _0; hCT; наклепа HU и hHU; структуры металла в поверхностном слое толщиной 300-500 мкм. В случае неравномерного формирования остаточных напряжений возникает коробление детали, отклонение формы и расположения поверхностей.
В общем случае абсолютная погрешность ДХ определяется разностью абсолютных действительных Хд и номинальных Хн модулей значений ДХ = [Хд I - ХН и выражается в единицах соответствующего параметра. Относительная погрешность ДХ определяется отношением абсолютной погрешности к номинальному значению параметра и выражается безразмерной величиной ДХ = ЛХ/Хср или в процентах ДХ = ДХ/Хср 100%.
Следует различать погрешность технологических параметров в партии обработанных деталей, характеризующую технологическую стабильность процесса, и погрешность технологических параметров для различных участков поверхностей одной детали, характеризующую равномерностью формирования технологического параметра по поверхности детали.
Допустимые абсолютные и относительные погрешности съема металла ДСМ и ДСМ, средне-арифметической высоты микронеровностей ARz и ARz , остаточных напряжений Да_0 и До_0, глубины их формирования Aha и Дпа нормируются требованиями чертежа.
Экспериментальное исследование погрешностей виброабразивной обработки осуществлялось на силовой балке (рис. 2.5) и макете (рис. 2.6), представляющей собой фрагмент детали с теми же размерами в поперечном сече ний, что и сама деталь, но укороченная по длине контейнера, с интенсивной промывкой 3-х процентным водным раствором соды в течении 30 мин. Плоские образцы-свидетели из стали 30ХГСНА, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4 закрепляются на детали или макете детали посредством четырех винтов М4. Каждый результат получен при двух-трех кратном повторений опытов и выполнении не менее пяти-семи измерений.
Абразивные гранулы, используемые в экспериментальных исследованиях, проходили получасовую вибрационную обкатку при одинаковых амплитудах и частотах колебаний. Обработка результатов экспериментов осуществлялось методом наименьших квадратичных отклонений и методом нахождения средне-арифметической величины. Для обеспечения единства измерений используются аттестованные средства; измерений. Оценка погрешностей экспериментальных результатов делается с применением известных программ математической статистики на ЭВМ. Грубые погрешности после их выявления, исключались из рассмотрения, при необходимости эксперимент повторялся, систематические погрешности учитывались при анализе.
Экспериментальное исследование погрешностей виброабразивной обработки и виброударного упрочнения выполнялись на типовой детали - силовой балке (рис. 2.5) и ее макете (рис. 2.6) - для трех материалов образцов: стали ЗОХГСНА, алюминиевого сплава Д16Т, титанового сплава ОТ4, с применением формованных абразивных гранул призматической формы на керамической связке зернистостью №8 ПТ-10 и ПТ-15, стальных шариков диаметром 0,005 м в зависимости от пяти факторов: места базирования и закрепления детали в контейнере, загрузки контейнера инструментальной средой, изменения ориентации детали и траектории колебаний, поджатая инструмента в контейнере цилиндрической формы диаметром 0,25 м, 0,37 м и 0,45 м.
Фазовый угол соударений инструментальной среды с деталью
Режимы М1-М4 характеризуется постоянной ориентацией траектории, переменными скоростями соударений VT = 1,76 - 0,88,м/с и переменными за зорами 8д =(3,3-0,1)10 ;м, 8Ч =(0,02-0,13)10 ,м во всех 32-х участках балки. Режим М5 характеризуется сменой траектории через 15 мин. и угла 45, переменной скоростью периодических соударений VT = 1,76 - 0,88,м/с и —2 —7 зазоров 8д =(3,3-0,1)10 ;м, 8Ч =(0,02-0,13)10 м во всех 32-х участках балки. Режим Мб характеризуется сменой ориентации траектории через 15 мин. и 45, переменной скоростью соударений VT =1,76-0,88vм/с и посто —2 —2 янными зазорами од = 1,7 10 м,8ч= 0,071 -10 ,м на всех 32-х участках балки. Режим М7 характеризуется сменой траектории через 15 мин и 45, идеализированным случаем постоянной скорости соударений VT = 1,4879, м/с v и постоянными зазорами 8Д =1,7-10 ,м, 5Ч =0,071-10 ,м для всех 32-х участков балки.
Экспериментальные значения фазового угла соударений инструмен тальной среды с плоской поверхностью, с амплитудой виброускорений 2 —1 Y=80,M/C И частотой о = 60, с составляет: для верхней поверхности єт =280-330, для нижней - єт =90-120 [85]. По результатам числен 2 —1 ного моделирования при Y = 102,M/C СО =62,8, с а = 1Дсм; Ь = 1,7,см фазовый угол єт =206-242, єт =197-216. Для режимов виброударной обработки М1-М5 (на рис. 3.3 и 3.4 представлены режимы Ml и М2), относительные погрешности єт„ для 32-х участков балки имеют следующие значения: для Ml 16,0-17,6 %: М2 - 8,5-21,6 %; МЗ - 13,4-16,3 %; М4 - 14,2-21,5 %; М5 -7,2-12,37 %. Для идеализированных режимов Мб и М7 погрешность єт„ в связи с постоянством зазоров равна нулю.
Циркуляция частиц вибрирующей инструментальной среды способствует равномерному распределению пластических отпечатков на обрабатываемой поверхности детали, оказывает определяющее влияние на погрешность технологических параметров процесса. Циркуляционные перемещения частиц при 70-90% заполненном контейнере, характеризуемой коэффициентом загрузки к3 =0,7-0,9, без закрепленной в нем детали и круговой траектории колебаний имеют одно вихревой характер (рис. 3.11) и направлены против движения контейнера по траектории.
Циркуляционные перемещения частиц возникают в результате несовпадения зон отрыва и соударения частиц при вибротранспортировании частиц инструментальной среды относительно поверхностей детали и контейнера. Для вибрирующей детали Уцд и (О,О5ч-О,і)Ад(осо50п, ДЛЯ контейнера VUK «-(0,1-s-0,25)AKcocosn [52]. Знак (-) указывает на противоположное направление циркуляции V направлению вращения вибратора.
Для дискретно-множественной модели скорость циркуляции Vu. вычисляется как сумма перемещений x;(t) N-ro количества частиц в каждой из ячеек плоского сечения в промежутках между соударениями tT в течении 10 ns і 100 тактов соударения стационарных колебаний N bj(t) г-? у— Уц = I (-aii) . lij(0 = №.. +1?..) (3-20) где перемещения частиц Ix. = xjK -xjH, ly. =yjK — УІН определяются как разность перемещение i-ых частиц по осям ОХ и OY соответственно, где -хік хін» Уік» Уін координаты конца и начала перемещений і-ой частицы по координатам ОХ и OY в j-ой ячейке в промежутках времени между периодическими соударениями tt=(tjflj)n,-l- (3-21
Общая картина циркуляционных потоков в контейнере складывается из циркуляционных перемещений частиц в ячейках на которые разбивается площадь поперечного сечения контейнера. Угловая скорость циркуляции частиц инструмента достигает Уц 3 — 5 об/мин, линейная скорость циркуляции у поверхности контейнера диаметром 0,35-0,40 м достигает 1,2-1,5 м/мин. Неравномерность скорости циркуляции при отсутствии детали в контейнере составляет: у поверхности контейнера не менее АУЦК =38-45 %, у по поверхности детали не менее ДУЦК =33-42 %. Численное моделирование выполнено для контейнера цилиндрической формы диаметром 0,457 м, диаметр шариков 0,005 м, количество шариков 5255 штук, коэффициент статического заполнения площади контейнера 0,826, коэффициент динамического заполнения - 0,935, у = 45, а = 1,3,см; b = 1,7см ш =62,8, с .
Зависимость погрешности степени и глубины наклепа от траектории и скорости колебаний
Рассмотрим эффективность снижения относительной погрешности среднеарифметической высоты микронеровностей (рис. 4.1-4.10), степени (рис. 4.11; 4.19) и глубины наклепа (рис. 4.20; 4.22), остаточных напряжений (рис.4.23-4.32) - за счет смены траектории колебаний, по 32-м участкам балки, закрепленной в цилиндрическом контейнере без переустановки для 30ХГСНА,Д16ТиОТ4.
Режимы обработки Ml, М2, МЗ, М4 с фиксированным наклоном эл-липсной траектории в течении to6p=60 мин времени обработки обуславливают высокие погрешности по всем исследованным технологическим параметрам АС с = 3 8,5 -И 06,1 % ARzJp = 19,4 + 73,6 % AHU p = 12,3 ч- 20,0 % AhHU p = 12,7 -4- 20,0%, До ос = 9,47 +17,84%. Обработка при круговой траектории колебаний без смены траектории обуславливает в среднем на 15-Ї-25 % меньшую погрешность указанных технологических параметров.
При смене угла наклона эллипсной траектории через 45 и направления эллипсной траектории колебаний с интервалом 15 минут обработки (режимы М5; Мб), погрешности по всем технологическим параметрам снижаются в среднем в два - три раза в сравнении с режимами М1-М4: съема ДСМ = 24,16 -г- 47,04 %, высоты микронеровностей ARzcp = 11,15 -s- 51,42 %, степени наклепа AHU p =4,91-И 2,05% и глубины наклепа Ahjnjcp = 4,66 12,02 %, остаточных напряжений Да_0 = 5,514- 6,67 %.
При оптимальном поджатии вибрирующей инструментальной среды в замкнутом объеме контейнера П = 0,05-г 0,07 (Аоэ /g) при фиксированной амплитуде ускорений Аш =102 м/с значения погрешностей указанных технологических параметров могут быть снижены еще [52, 53].
Таким образом, за счет оптимальной смены траектории погрешность съема металла снижается на 23 6-г-260%; погрешность среднеарифметической высоты микронеровностей снижается на 213 224%; погрешность степени и глубины наклепа уменьшаются на 271 294 % и 383 392 %, погрешность остаточных напряжений уменьшается на 207 209 %. Достигнутые погрешности съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений не превышают допустимых величин [16, 17].
Анализ погрешностей съема металла, среднеарифметической высоты микронеровностей, формирования степени и глубины наклепа, остаточных напряжений при различных режимах виброударной обработки деталей сложной формы показывает:
Разработанный метод численного моделирования позволяет определять погрешности съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений для любого участка детали сложной формы без предварительных экспериментов, используя который можно снизить погрешности виброударной обработки до допустимых пределов за счет оптимальной по времени и углу смены траектории периодических перемещений детали и поджатая инструментальной среды;
Теоретически установлено, что при виброударной обработке с жестким креплением деталей без смены траектории перемещений (режимы М1-М4) возникают погрешности выше допустимых; съема металла
ДСм = 3 8,47 ч-106,14%; высоты микронеровностей ARz p = 19,44 ч- 73,62 %; степени и глубины ДНи р = 12,27 ч- 20,03 % Дпни = 12,65 ч- 20,05 %, сжимающих остаточных напряжений - До_0 = 9,47 ч-17,84 %.
Теоретически установлено, что за счет оптимальной смены эллипсной траектории периодических перемещений детали (режимы М5, Мб) через 7,5 15 мин. обработки и угла смены траектории не более угла ударного трения равного от 20 - 25 до 45, поджатия П = 0,03 -5- 0,05 (Ao2/g) инструментальной среды, погрешности снижаются по всем технологическим параметрам в два - три раза в сравнении с режимами без смены траектории и составляют: ДСмс =24Д6ч-47,04%, AR2 p = 11,15 -51,42%, ДНи р =4,91ч-12,05%, Дпни р= 4,66ч-12,02%, Да 0с = 5,51 ч-6,67%.
В настоящей главе представлены результаты экспериментальной проверки достоверности численного моделирования погрешностей съема металла, среднеарифметической высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, остаточных напряжений на плоских образцах из стали ЗОХГСНА, алюминиевого сплава Д16Т, титанового сплава ОТ4. Плоские образцы закреплялись на тех участках и сечениях балки, где расположены 32 участков при моделировании погрешностей виброударной обработки. Длина каждого участка 1,7 см, на нем умещается примерно две гранулы или три шарика.
Для уменьшения влияние формы детали на погрешности виброударной обработки, вначале экспериментальные исследования выполнялись на макете цилиндрической формы (рис.2.6, а) на ВУРТ-150 (рис. 2.2): с равномерным вращением макета без смены круговой и эллипсной траекторий; без вращения макета и без смены круговой и эллипсной траекторий; без вращения макета со сменой 2-х эллипсных траекторий через 30 минут и угол 90; без вращения макета со сменой 4-х эллипсных траекторий через 15 минут и угол 45; без вращения макета со сменой 8-х эллипсных траекторий через 7,5 минут и угол 22,5 (результаты представлены в табл. 5.1).
В последующем экспериментальные исследования выполнялись на макете балки (рис. 2.6, б) на ВУРТ-150 (рис. 2.2), затем на натурной балке (рис. 5.14) на установке ЛМ23-1378 (рис. 2.1) в режимах типа М5 со сменой траектории колебаний. Режимы М1-М4 экспериментально не проверялись в связи со значительной их погрешностью, а режим М7 - в связи с невозможностью обеспечения равенства скоростей соударений на всех участках детали.
