Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи исследований 11
1.1 Использование динамических методов ППД при местном упрочнении деталей машин 11
1.2 Конструктивные особенности и технологические возможности шарико-стержневых упрочнителей 19
1.3 Краткий обзор работ в области исследований обработки шарико-стержневым упрочнителем 22
1.4 Анализ процесса шумообразования при обработке шарико-стержневым упрочнителем 24
1.5 Возможности снижения шума в производственных помещениях 36
1.6 Цель и задачи исследований 40
2 Теоретические исследования процесса обработки ширико-стержневым упрочнителем 42
2.1 Исследование возбуждения вибраций и шумообразования технологического процесса ШСУ 42
2.2 Вывод зависимостей скоростей колебаний упрочняемых изделий типа балок. Расчет виброскоростей упрочняемых заготовок типа балок 44
2.3 Вывод скоростей колебаний заготовки типа оболочка 45
2.4 Вывод зависимостей уровней шума упрочняющего инструмента 52
2.5 Вывод зависимостей уровней шума при ШСУ деталей типа пластин 54 2.6 Вывод зависимости для расчета шероховатости обработанной
поверхности 57
2.6.1 Анализ процесса взаимодействия стержня со сферической заточкой с обрабатываемой поверхностью 57
2.6.2 Расчет параметров установившейся шероховатости 59
2.7 Исследование процесса формирования физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей 62
3 Методика проведения экспериментальных исследований 66
3.1 Оборудование для проведения исследований 66
3.2 Приборы и устройства для проведения исследований 67
3.3 Образцы для проведения исследований 71
3.4 Методика исследований акустических характеристик процесса 72
3.5 Исследование параметров шероховатости поверхности детали при обработке ШСУ 81
3.6 Исследование микротвердости обработанной поверхности 82
3.7 Методика исследований остаточных напряжений 83
4 Результаты экспериментальных исследований процесса шарико-стержневой обработки 84
4.1 Исследование процесса формирования шероховатости обработанной поверхности 84
4.1.1 Определение КПД устройства 84
4.1.2 Экспериментальная проверка теоретических зависимостей влияния технологических параметров на шероховатость обработанной поверхности 85
4.2 Исследование физико-механических свойств поверхности детали после шарико-стержневого упрочнения
4.2.1 Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей 91
4.2.2 Изменение микротвердости поверхностного слоя при обработке ШСУ 94
4.2.3 Исследование глубины упрочненного слоя и степени деформации при обработке ШСУ 4.3 Исследования виброакустических характеристик при шарико-стержневом упрочнении плоских заготовок 99
4.4 Результаты экспериментальных исследований шума и вибраций при ШСУ плоских деталей 101
5 Практическое применение результатов исследований 105
5.1 Исследование возможности снижения шума при обработке ШСУ 105
5.2 Разработка технологических рекомендаций 110
Общие выводы и рекомендации 115
Литература
- Краткий обзор работ в области исследований обработки шарико-стержневым упрочнителем
- Вывод зависимостей скоростей колебаний упрочняемых изделий типа балок. Расчет виброскоростей упрочняемых заготовок типа балок
- Образцы для проведения исследований
- Экспериментальная проверка теоретических зависимостей влияния технологических параметров на шероховатость обработанной поверхности
Введение к работе
Актуальность исследования
Современное механосборочное производство ставит задачу повышения
жизненного цикла изделия, которая обеспечивается повышением
эксплуатационных свойств наиболее ответственных деталей. Для решения этой задачи повсеместно используются методы обработки деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД), причем с экономической точки зрения наиболее выгодны способы местного упрочнения участков деталей, на которых расположены концентраторы напряжений.
Одним из новых устройств, предназначенных для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием, является шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ) – универсальное приспособление, позволяющее производить обработку не только плоских поверхностей, но и поверхностей сложной конфигурации, обладающих небольшим перепадом высот. К сожалению, процесс обработки сопровождается повышенным шумом.
Обеспечение акустической безопасности при ударных процессах обработки деталей машин в современном производстве имеет очень важное значение. Следует особо выделить воздействие шума, который является постоянно действующим высокоинтенсивным фактором. Воздействие шума и вибраций приводит как к появлению профессиональных заболеваний, так и оказывает отрицательное влияние на производительность труда работающих, при этом следует отметить, что снижение шума до санитарных норм является в большинстве случаев чрезвычайно сложной задачей. Из вышесказанного можно сделать вывод, что при проектировании новых технологических процессов и создании оборудования для их осуществления задача снижения шума и вибраций до допустимых значений является одной из важнейших.
Степень разработанности темы. Наиболее значимые исследования в области обработки деталей методами ППД были проведены Кудрявцевым И.В., Бабичевым А. П., Папшевым Д.Д., Петросовым В.В., Смелянским В.М., Дроздом М.С., Сидякиным Ю. И., Пшибыльским В.П. и многими другими. В работах перечисленных авторов рассмотрены вопросы формирования основных показателей качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей, оказывающих решающее влияние на улучшение их эксплуатационных свойств.
В области обработки деталей ШСУ известны работы Аксенова В.Н., Прокопец Г.А., Холоденко Н.Г., Щерба Л.М., выполненные на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ в рамках научной школы профессора Бабичева А.П.
Широкое внедрение в производство технологических процессов обработки деталей ШСУ сдерживается недостаточной проработкой вопросов влияния основных технологических параметров на качество поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей машин.
Вопросы шумообразования при обработке деталей ШСУ рассмотрены в работе Щерба Л.М. применительно к деталям, имеющих форму тела вращения. Обеспечение акустической безопасности при обработке плоских деталей
нуждается в проведении обширного круга теоретических и экспериментальных исследований и разработке специальных технологических рекомендаций, а также устройств, способствующих доведению шума до нормативных значений.
Цель работы заключается в снижение шума и вибраций до санитарных норм при обработке шарико-стержневым упрочнителем плоских поверхностей заготовок типа балок при обеспечении достижения заданных параметров качества поверхностного слоя.
Чтобы достигнуть поставленную цель следует осуществить решение задач, представленных ниже:
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования шума при обработке ШСУ.
-
Разработать комплекс мероприятий, позволяющих снизить шум на рабочем месте оператора до нормативных значений.
-
Теоретические и экспериментальные исследования формирования геометрических параметров поверхностного слоя.
-
Теоретические и экспериме6нтальные исследования формирования физико-механических параметров качества поверхности детали.
-
Разработка алгоритма выбора рациональных параметров технологического процесса обработки ШСУ плоских деталей. Объектом исследования является формирование шумовых характеристик
процессов обработки плоских деталей ШСУ.
Предметом исследования является разработка мероприятий активной и пассивной защиты рабочей зоны от воздействия опасного шума и вибраций при обработке плоских деталей ШСУ.
Методологической базой исследований является определение
закономерностей формирования акустических характеристик и основных показателей качества поверхности детали, влияющих на их эксплуатационные свойства.
Теоретической базой исследований являются теоретические основы промышленной акустики, технологии машиностроения, теория обработки деталей поверхностно-пластическим деформированием.
Эмпирическая база исследований основана на современных методах исследований процессов формирования шума и вибраций, параметров качества поверхности обработанных деталей при шарико-стержневом упрочнении.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Аналитические зависимости для определения звукового давления, скорости колебаний и спектров шума при обработке плоских деталей ШСУ.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования параметров качества обработанных деталей.
-
Комплекс теоретических моделей влияния технологических параметров на формирование шероховатости и физико-механических свойств поверхности обработанных деталей.
-
Основные закономерности проектирования технологических процессов шарико-стержневого упрочнения плоских деталей.
5. Методика инженерных расчетов активной и пассивной шумозащиты рабочей зоны оператора.
Научная новизна. Разработаны акустические модели обработки плоских деталей, для расчета параметров шумообразования при обработке ШСУ. Получен комплекс теоретических моделей для определения звукового давления, скорости колебаний и спектров шума, с учётом конструктивных параметров оборудования и режимов обработки.
Разработана и экспериментально подтверждена модель формирования
параметров установившейся шероховатости при шарико-стержневом
упрочнении, учитывающая технологические режимы и физико-механические свойства обрабатываемого материала. Получены аналитические модели для расчета основных параметров упрочненного слоя при обработке ШСУ.
Теоретическая значимость работы заключается в создании комплекса теоретических моделей формирования шумовых характеристик и показателей качества поверхностного слоя, на основе которых разработана методика обеспечения акустической безопасности при обеспечении достижения заданных параметров качества обработанных деталей.
Практическая значимость работы. Разработана методика инженерных расчетов процесса шумообразования при обработке ШСУ плоских деталей. Предложены конструктивные схемы устройств для осуществления активной и пассивной шумозащиты рабочей зона оператора, позволяющие снизить уровень шума в соответствии с санитарными нормами.
Сформулированы основные зависимости формирования
геометрических и физико-механических параметров поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Разработаны алгоритмы проведения расчетов при технологическом проектировании процесса формирования шума при шарико-стержневом упрочнении плоских деталей.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа представляет собой новое решение актуальной
научно-технической задачи обеспечения выполнения санитарных норм шума и
вибраций при гарантированном обеспечении формирования заданных
геометрических и физико-механических параметров качества обработанной поверхности детали.
Содержание исследований соответствует специальностям:
- 05.26.01 Охрана труда (в машиностроении). Область исследования: №1
(прогнозирование параметров состояния производственной среды, опасных
ситуаций и опасных зон) и №2 (изучение физических, физико-химических,
биологических и социально-экономических процессов, определяющих условия
труда, установленные взаимосвязи с вредными и опасными факторами
производственной среды);
- 05.02.08 «Технология машиностроения». Область исследования: №2
(технологические процессы операции, установы, позиции, технологические
переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий) и №5
(методы проектирования и оптимизации технологических процессов).
Апробация работы. Результаты проведенных исследований прошли обсуждения на следующих Всероссийских конференциях, конференциях с международным участием и международных симпозиумах:
Международная конференция «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения». Ростов н/Д: «Интерагромаш -2015» и «Интерагромаш - 2016», 2015 и 2016 гг.
Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. XII-ая Международная научно-практическая конференция, г. Курск, 2015 г.
. IV международная научно.-техническая конференция, г. Тольятти, ТольятГТУ. 2015 г.
Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2015. XVI Всероссийская научно-техническая конференция ,г. Пермь, 2015.
XIII ежегодная региональная научно-практическая конференция «Аспекты развития науки, образования и модернизации промышленности». г. Таганрог, 2015
XII Международная научно-техническая конференция «Динамика технических систем» «ДТС-2015», г. Ростов н/Д, 2015
II Международная научно-техническая конференция «Металлообрабатывающие комплексы и робототехнические системы -перспективные направления научно-исследовательской деятельности молодых ученых и специалистов», г. Курск, 2016 г.
Технологические рекомендации, разработанные на основании исследований, прошли промышленные испытания на заводе ООО «Дон-КузлитМаш» в г. Азове.
Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Основная часть работы изложена на 129 страницах, содержит 40 рисунок, 9 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.
Краткий обзор работ в области исследований обработки шарико-стержневым упрочнителем
В современном машиностроении наблюдается устойчивая тенденция одновременного повышения мощности и точности машин. Это вызывает необходимость повышения прочности и усталостной долговечности деталей, особенно работающих в условиях циклических нагрузок.
Важным вопросом является также уменьшение размеров и массы изделия путем применения новых материалов, прогрессивных конструкций, а также современных технологических процессов улучшения эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей [24,35,46,55,57,70,76,93,97,100,111,112].
Длительность жизненного цикла изделий машиностроения во многом зависит от наличия конструктивных концентраторов напряжений (отверстия, канавки, галтели, пазы и т.п.). Наличие таких элементов может уменьшить усталостную долговечность детали в 2-4 раза [93,52]. уменьшение усталостной прочности и долговечности можно оценить при помощи коэффициента концентрации напряжений, который определяется отношением фактического ресурса гладкого участка поверхности детали и фактического ресурса поверхности с концентратором напряжений. Чем меньше значение этого коэффициента, тем более полно используются высокие физико-механические свойства материала детали и обеспечиваются одинаковые эксплуатационные характеристики различных участков поверхности детали, испытывающей циклические нагрузки. Вышесказанное объясняет широкое распространение методов поверхностного пластического деформирования (ППД) при финишной обработке детали [63,73,92]. В указанной литературе приводятся данные, что путем местного упрочнения зоны в области отверстий, галтелей и других подобных элементов можно уменьшить значение коэффициента концентрации напряжений в 2-5 раз, а для некоторых деталей обеспечить равную долговечность их участков разной конструкции.
В механосборочном производстве часто встречаются случаи, когда после обработки ППД поверхностей собираемых деталей необходимо производить их пригонку на сборочных операциях. Это приводит к необходимости удаления упрочненного слоя и к соответствующему снижению долговечности обработанных деталей вследствие возникновения новых концентраторов напряжений.
Наиболее широко распространенные процессы поверхностного упрочнения (вибрационная обработка, центробежно-ротационная обработка, гидро- и пневмодробеструйная обработка и т.п.) используются обычно для обработки всей поверхности детали. При этом жизненный цикл упрочненных деталей напрямую зависит от наличия участков с концентраторами напряжений. Поэтому ответственные детали сложной формы после обработки ППД как по всей поверхности, так и по участкам, имеющим концентраторы напряжений могут иметь приблизительно одинаковые эксплуатационные свойства. Использование способов ППД, приводящих к упрочнению всех поверхностей детали значительно увеличивает трудовые и материальные затраты по сравнению со способами местного упрочнения, особенно при обработке деталей больших размеров. Так, например. для упрочнения поверхностей крупногабаритных деталей используются дробеструйные и вибрационные установки мощностью 50-100 кВт, при этом время обработки достигает нескольких часов [93]. Особенно возрастает эффективность применения местного упрочнения поверхности детали в условиях опытного и ремонтного производства [ 24, 70,93, 107].
Применение методов местного упрочнения ППД значительно дополняет традиционные методы обработки. При этом используются компактные устройства, которые позволяют производить обработку поверхности отверстий, переходных зон, сварных швов и т.п. Поскольку такие элементы встречаются на подавляющем большинстве деталей машиностроительного производства, то указанные устройства могут применяться во всех отраслях машиностроения.
В некоторых случаях для повышения эксплуатационных свойств ответственных деталей достаточно обработать только небольшие участки концентраторов напряжений. При этом эффективность упрочнения будет соответствовать всей зоне расположения концентраторов. Очевидным является то обстоятельство, что применение местного упрочнения позволяет вести обработку с большей производительностью и меньшей себестоимостью. Малые размеры устройств для местной обработки ППД позволяют осуществлять их широкое применение в условиях ремонтного производства без разборки конструкции и снятия ответственных деталей.
Особенно эффективно местное упрочнение отдельных участков в зоне действия конструктивных концентраторов напряжений.
Использование методов местной обработки ППД позволяет повышать эксплуатационные свойства деталей сложной формы и большого диапазона размеров, изготовленных из различных материалов. Методы местного упрочнения широко применяются для обработки деталей малой жесткости типа стенок, панелей, различных профилей, широко используемых при производстве летательных аппаратов, оборудования энергетической и химической промышленности и т.п.
Особенно широко применяется местное упрочнение при обработке участков деталей, содержащих концентраторы напряжений (отверстия, галтели, пазы, резьбы, канавки и т.п.). Важное значение имеет возможность упрочняющей доработки мест крепления деталей больших размеров, упрочняемых на вибрационном, дробеструйном и аналогичном оборудовании, а также участков деталей, на которых удаляется упрочненный слой при пригоночных работах.
Обычная упрочняющая обработка приводит к изменению шероховатости обработанной поверхности. некоторые способы ППД позволяют уменьшить исходную шероховатость (например, выглаживание, обкатка, раскатка), другие приводят к увеличению исходной шероховатости (например, дробеструйная обработки), но при этом формируется профиль микронеровностей, имеющий, как правило, улучшенные эксплуатационные свойства. При этом важное значение имеет явление технологической наследственности.
Заданные в чертежах и технических условиях значения шероховатости при упрочняющей обработке могут использоваться в качестве ограничительных функций при выборе технологических режимов [32,45,66].
Важным положительным свойством местного упрочнения ППД является отсутствие ослаблений в местах перехода упрочненного слоя в неупрочненный. Это значительное преимущество по сравнению с некоторыми видами термической обработки ответственных деталей [57].
Целесообразность применения тех или иных методов обработки ППД определяется размерами, физико-механическими свойствами материала деталей и соответствующими допусками на них. Методы упрочняющей обработки различают по ряду классификационных признаков. В качестве таковых могут использоваться величина и характер применяемых усилий, схемы обработки, возможность использования технологической жидкости, динамика и кинематика соответствующих механизмов, вид и способ подводимой энергии (рис. 1.1.).
Вывод зависимостей скоростей колебаний упрочняемых изделий типа балок. Расчет виброскоростей упрочняемых заготовок типа балок
При шарико-стержневом упрочнении заготовки устанавливаются на стол станка и силовое воздействие упрочнителя на поверхность детали перемещается со скоростью продольной или поперечной подачи.
В этом случае дифференциальное уравнение изгибных колебаний имеет вид: 6 у S1} (2.4) где Pх - силовое воздействие со стороны технологического процесса, Н; ) - дельта-функция смещения по координате x0. Силовое воздействие представляет собой совокупность ударных взаимодействий каждого стержня упрочнителя с упрочненными изделиями. Поэтому уравнение 2.4 примет вид: 6 v . S v _ kPx Y1 fsm(TzMxi)r sinlnMxi} s m(nMx )\ sinitMx smizMv (2.5) где -xк координата расположения стержня упрочнителя, M - общее количество стержней, и - скорость перемещения стола с упрочняемым изделием, м/с, Рх- силовое воздействие единичного стержня, Н, Mи - масса изделия a EJ m0 Решение данного уравнения относительно максимальной величины скорости колебаний за время реализации технологического процесса (по методу разделения переменных) имеет вид: (2.6)
Из полученных выражений видно, что снижение шума в самом источнике возможно осуществить только путем вибропоглощения самой детали поместив её в специальном приспособлении, имеющем вибропоглощающие элементы вдоль всей поверхностей заготовки, за исключением поверхности, которая подвергается обработке ШСУ. В данном случае снижения шума достигается с помощью вибропоглощениея, и уменьшением площади поверхности излучения звуковой энергии. В этом случае предлагается рассматривать модуля упругости в комплексной форме [45]: Ё = (\ + Р)Е (2.7) где р - эффективный коэффициент потерь колебательной энергии упрочняемого изделия.
В этом случае скорость колебаний представляет собой комплексную величину. Для расчетов спектров шума, т.е. усредненным по октавам уровней звукового давления, достаточно определить действительную, часть скорости колебаний. Тогда получим: (2.8)
Следует учитывать, что в данном случае в расчет вводится суммарный коэффициент потерь колебательной энергии: (2.9) где a - количество слоев демпфирующей конструкции, 1 - относится к самой детали. За счет подбора вибропоглощающего материала и его толщины, становится возможным добиться снижения шума в самом источнике. В случае если данный способ не обеспечивает выполнение санитарных норм шума может быть применена конструкция пассивной шумозащиты рабочей зоны станка.
Виброскорости определим из дифференциальных уравнений поперечных колебаний их их ut ut j=i EJy -pJy + pF + js = PxfjS(z-z0l) OX OZ ut ut j— где Jx и J y - моменты инерции в направлении осей координат ОХ и ОY, м4; Pх и Py - составляющие силового воздействия в направлении осей координат ОХ и ОY, Н.
Рассматривая силовое воздействие как перемещающиеся вдоль обрабатываемой детали с некоторой скоростью и используя метод разделения переменных (метод Фурье) получим следующие системы дифференциальных уравнений
Решение относительно виброскорости в направлении осей координат ОХ и ОY имеет следующий вид:
Таким образом, полученные зависимости позволяют определить звуковое давление и уровни звукового давления. Для расчета звукового давления по формуле частота колебаний фактически задается коэффициентом к, т.е. для первой собственной моды к = 1, для второй -к = 2 и т.д. В формулу частота собственных колебаний входит непосредственно, и для её определения воспользуемся данными работы В.З. Власова [41]. Частоты собственных колебаний находим из уравнения свободных колебаний EJAz)—\- pJAz) + pFlz)— + j E = 0; К дх4 dz 2dt 2 v dt 2 EJy(z) -pJy(z) 2 + pF(z) + js + aypF(z) = 0; w \&є гт , ча40 , ч э2 r , ч э4 2 . чэ2 0 Первое уравнение является уравнением изгибных вынужденных колебаний, которое содержит лишь частные производные функции (z,t). Последующие два представляют собой совместную систему дифференциальных уравнений, которая определяет в совокупности с граничными условиями пространственные изгибно-крутильные колебания. При этом соотношения жесткостей заготовок и опор заданы так, что последние могут рассматриваться как шарнирные. В соответствии с этими допущениями можно записать: при z = 0 — " = с5 = 0 = 0 = — = = ; dz 2 dz 2 dz 2 ; C)2F Г)2Р Г)2(г) при z = l-s = = 0 = 0— =— =— = ; dz 2 dz 2 dz 2 ; Решение системы представлено следующим образом: (z,f) = i (0sinV, =1 ;r& М = Е (05Іп , где4=т1( = 1,2Д-) = 0( ,0 = Z0(Osinv, k=1 Подставляя полученные выражения в систему можно записать: EJx(z)Ag(t) + p Jx(z)\2+F(z) йЧ{?)Л df + J x = 0; EJ (z) s(t) + p J (z)\2 +F(z) d2s(t) df + Jy+aypF(z) dQ(t) df 0; a pF(z) 2 + (EJ +GJdA2)&(t) + p\ J k 2 +r 2 F(z) dt I dt Решение однородных уравнений в общем виде можно записать: (t) = A s\\\kkt; = 0. e(t) = B S\nkkt; (t) = С s\nkkt. Тогда система принимает следующий вид: EJx{z)4-p[jx{z)\2+F{z)k2k) + Л A = 0; EJy(z)4 -p(jy(z)\2 + F(z)k2) + jy]B -ayPF(z)k2C = 0 -a pF (z)kkB + I EJa\ + GJd (z) Ял J - pIJ /l + r F (z) ) C = 0. Приравнивая к нулю определитель, составленный из коэффициентов А , В , С , можно получить частоты собственных гармонических колебаний детали: Efx(z)l4 -p(jx(z)V+F(z) + EJ (z)Xl у p(jy{z)Xk2+F(z)k2) + у a pF(z)k + jy aypF{z)k (EJa4+GJd( ) -p(jaXk2 + r2F(z)k2)
Каждому из значений, которые характеризуют форму колебаний, соответствуют три частоты свободных колебаний kk1, kk2 , kk3. Причем первая частота соответствует изгибным колебаниям, а последующие (вторая и третья) – сложным изгибно-крутильным колебаниям. Фактически диссипативные свойства и основания не учтены в зависимостях виброскоростей и, следовательно, звукового давления. Для этого воспользуемся известным приемом и представим модуль упругости и жесткость основания в комплексной форме [28]:
Образцы для проведения исследований
Как указывалось выше, при шарико-стержневом упрочнении могут формироваться как регулярные, так и случайные микрорельефы. При этом высотные параметры шероховатости могут получить постоянное (установившееся) значение, которое не изменяется при дальнейшей обработке в течении определенного времени. И только значительное превышение рационального времени обработки может привести к перенаклепу и разрушению поверхностного слоя.
Особенности формирования регулярных микрорельефов изучались в работах [3,82]. Процесс формирования случайного микрорельефа изучен недостаточно полно.
Формирование шероховатости при шарико-стержневом упрочнении происходит при многократном переформировании локальных микрообъемов металла поверхностного слоя в результате пересечения следов единичных ударов, оставляемых при прохождении инструмента по участку поверхности.
В начальный период инденторы будут деформировать выступы микронеровностей. При этом будет происходить подъем металла во впадинах микронеровностей. В процессе обработки со временем наступает полное передеформирование профиля исходной шероховатости.
На поверхности детали формируется новый специфический для шарико-стержневого упрочнения микрорельеф, который имеет изотропные свойства по всем направлениям.
Параметры установившейся шероховатости при этом не зависят от исходной, а определяются только режимами обработки и конструктивными параметрами устройства. Чтобы получить дальнейшее уменьшение параметров шероховатости обработанной поверхности необходимо произвести соответствующее изменение либо режимов обработки, либо параметров применяемых инденторов (количество и радиус заточки).
Разработка теоретической модели с учетом физико-технологических закономерностей процесса шарико-стержневого упрочнения позволит получить адекватные теоретические зависимости и наметить пути выбора рациональных, а в некоторых случаях, оптимальных режимов и конструктивных параметров устройства [51]. Следует учитывать обстоятельство, что через нормальное сечение профиля в единицу времени проходит определенное количество индентров, формирующих его шероховатость. Эти инденторы условно образуют элементарный формообразующий профиль при шарико-стержневом упрочнении. За более длительное время обработки такие профили случайным образом накладываются друг на друга, формируя на поверхности детали эффективные деформирующие профили инструмента. Параметры этого профиля будут зависеть от максимальной глубины внедрения инденторов hmax, количества индентров на единице длины и физико -механических свойств материала обрабатываемой поверхности.
Вид эффективного деформирующего профиля зависит от глубины и формы отпечатков, оставляемых стержнями на поверхности детали и подачи устройства S. Для плоских и близких к ним поверхностей детали такой профиль будет иметь вид, представленный на рис. 2.1. As s Л / Ns 4 AAs 4 Рис. 2.1 Вид профиля шероховатости поверхности плоской детали после обработки ШСУ Величина подачи S может варьироваться в определенных пределах, однако для получения равномерной обработки и исключения появления необработанных участков поверхности следует принимать величину подачи
Представленный на рис.2.1 профиль шероховатости аналогичен профилю, формирующегося при токарной обработке резцом с радиусом при вершине R , имеющим подачу Sп.
Согласно полученной зависимости величина Rz при обработке ШСУ пропорциональна энергии удара и обратно пропорциональна радиусу скругления индектора, числу стержней в насадке и твердости обрабатываемого материала. Полученная зависимость соответствует физическому смыслу явлений, происходящих при обработке ШСУ, и может быть рекомендована к проверке в ходе проведения комплексных экспериментальных исследований.
2.7 Исследование процесса формирования физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей
В соответствии с [56-59] степень пластической деформации є определяется как соотношение диаметра пластического отпечатка d к диаметру вдавливаемого сферического индентера D
Если при внедрении индектора в поверхность детали в зоне контакта возникает пластический отпечаток, то вокруг нее всегда присутствует пластически деформированная область, распространяющаяся на глубину hs . Эта область ограничена замкнутой поверхностью, которая удовлетворяется условием пластичности Генки-Мизеса ( тг, = JT ) [33]
Параметр контакта hs имеет существенное практическое значение, поскольку прямо или косвенно характеризует механическое состояние (упрочнение, запас пластичности, остаточную напряженность) локальной пластической области при единичном контакте или поверхностного слоя детали, подвергнутой упрочнению. Первая попытка расчетного определения hS реализована С.Т.Хейфецем [33], который предложил следующую зависимость Рк (2.23) hs 2ат где Рк - контактная нагрузка, ат - предел текучести материала детали. Им же предложена и более общая зависимость для случая внедрения сферического индентора в плоскую плиту (2.24) Р (d 2 К 2crT \2j учитывающая влияние размеров контактной площадки на глубину hs В то же время В.М. Браславский установил, что глубина распространения пластической деформации под отпечатком существенно зависит от его формы самого отпечатка.
Экспериментальная проверка теоретических зависимостей влияния технологических параметров на шероховатость обработанной поверхности
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 15%, и полученная теоретическая зависимость (2.9) может быть рекомендована для технологического проектирования при шарико-стержневом упрочнении.
Проведены исследования нестандартных параметров шероховатости поверхности после обработки ШСУ, которые часто используются при определении эксплуатационных характеристик поверхности детали. Установлено, что увеличение радиуса сферической заточки индентора приводит к увеличению среднего радиуса профиля впадин обработанной поверхности на 15%. Это соответствует предложенной нами гипотезе о формировании профиля установившейся шероховатости при шарико-стержневом упрочнении.
Проведены исследования нормированных корреляционных функций шероховатости обработанной поверхности результаты которых представлены на рис. 4.4-4.5. Анализ вида представленных корреляционных функций показывает, что случайный профиль шероховатости после шарико стержневого упрочнения имеет значительную характерную детерминированную составляющую.
Проведено исследование опорных кривых профиля шероховатости поверхности детали после шарико-стержневого упрочнения, результаты которых представлены на рис. 4.6-4.7. Из графика видно, что на начальных участках опорных кривых опорная длина профиля находится в пределах 10-15%, что подтверждает гипотезу о повышении эксплуатационных свойств обработанных деталей при шарико-стержневом упрочнении.
Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей машин оказывают значительное влияние на такие эксплуатационные свойства деталей машин, как износостойкость, усталостные прочность и долговечность и т.п.
Формирование остаточных напряжений происходит на всех этапах обработки детали с учетом технологической наследственности. Величина и знак остаточных напряжений в поверхностном слое зависят не только от усилий деформирования, но и от температурных напряжений, что крайне затрудняет их прогнозирование и целенаправленное формирование.
Теоретический расчет величины и знака остаточных напряжений успешно производится для очень ограниченного числа методов обработки. В данной работе проведен большой объем экспериментальных исследований формирования остаточных напряжений в поверхностном слое детали при шарико-стержневом упрочнении. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4.12-4.15.
Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое образца после обработки ШСУ, R=6 мм, натяг – 1,5 мм
Из графиков видно, что при шарико-стержневом упрочнении в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин при циклических нагрузках. Их величина составляет 150-180 МПа при глубине залегания до 1 мм, причем изменение технологических параметров шарико-стержневого упрочнения оказывает на них незначительное влияние. В общем результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что величина и глубина залегания остаточных напряжений при обработке ШСУ значительно больше, чем при других методах обработки в металлических шарах (например, вибрационная и центробежно-ротационная отделочно-упрочняющая обработка).
Таким образом можно прогнозировать значительное увеличение эксплуатационных свойств обработанных деталей.
Известно, что динамические методы обработки ППД позволяют в определенных пределах увеличить микротвердость поверхностного слоя обработанных деталей. Повышение микротвердости способствует повышению таких эксплуатационных свойств деталей машин, как контактная жесткость, износостойкость и т.п.
Результаты исследований изменения микротвердости при шарико-стержневом упрочнении представлены на рис. 4.21.
В результате обработки микротвердость на поверхности образца повысилась примерно на 15%, что соответствует средней степени упрочнения при обработке динамическими методами ППД и подтверждает адекватность теоретических зависимостей (2.18) и (2.19). Указанные зависимости могут быть рекомендованы для проведения расчетов при технологическом проектировании процесса ШСУ.