Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование оборудования для технологического процесса виброударного упрочнения. Учебное пособие
.pdf
но изучен. Это является препятствием для выбора рациональных
режимов обработки лонжеронов.
Вибрационные методы обработки широко распространены в
различных отраслях машиностроения, их уровни шума намного
превышают санитарные нормы. Оборудование для виброобработки
крупногабаритных заготовок относится к категории наиболее
вибро- и шумоактивных и создает чрезвычайно высокие уровни
шума, превышающие предельно допустимые значения практически
во всем нормируемом диапазоне частот.
21
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
14
0,1
и
D
DE
d
H
D
d
h
4
2
и
E
D
Н
ВИБРОУДАРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
2.1. Анализ процесса формирования шероховатости поверхности
Единичное взаимодействие шарика
с поверхностью детали
При исследовании основных технологических параметров
вибрационной упрочняющей обработки – производительности процесса и качества обработанной поверхности – одним из основных
вопросов является теоретическое моделирование процесса единичного взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью детали.
Процесс единичного взаимодействия при ВиОУО исследовался в работах [4, 22, 24, 33], однако не рассматривался случай виброупрочнения на однокоординатном станке. Исходя из анализа априорной информации, на формирование единичного отпечатка в этом
случае оказывают влияние следующие факторы: энергия удара шариков нижнего слоя при динамическом режиме обработки, диаметр
шарика, наличие присоединенной массы других шариков, потери
энергии при передаче ударного импульса от стенок через слои шариков, механические свойства материала детали.
В работах И.В. Кудрявцева и других исследователей в области
обработки деталей ППД [29, 31] представлены зависимости для
определения размеров единичного отпечатка при динамическом
вдавливании сферического индентора диаметром D:
диаметр пластического отпечатка
; (2.1)
глубина пластического отпечатка
где
, (2.2)
– энергия удара индентора;
– динамическая твердость
материала детали, под которой понимается отношение
22
энергии удара сферического индентора к объему вытес-
D
Н
2
2
эф
и
mV
E
эф
V
эф эф
V k A
эф
k
A
3
4
3
ш
mR
ш
2 2 2
4
2,55
эф ш
D
k А
dR
H
1,14
ш
эф
D
h Rk A
H
ненного им при ударе материала.
Величину динамической твердости материала определяют
в зависимости от твердости по Бринеллю, обычно принимают
= 1,7 НВ.
При ВиОУО на однокоординатном станке можно принять, что
, (2.3)
где m – масса шарика;
шарика с поверхностью детали,
где
– коэффициент эффективной скорости, учитывающий влия-
ние соседних шариков и потери энергии в их среде;
– амплитуда колебаний, м; – частота колебаний, с–1.
Масса шарика
где
– плотность материала шарика; R – радиус шарика.
Учитывая (2.3)-(2.5), после преобразований получим [45]
– эффективная скорость взаимодействия
, (2.4)
, (2.5)
, (2.6)
соответственно,
Из зависимостей (2.6) и (2.7) следует, что с увеличением ре-
жимов обработки и диаметра шарика размеры единичного отпечатка растут, что следует учесть при технологических расчетах.
Формирование профиля установившейся шероховатости
При ВиОУО на однокоординатном станке с течением времени
формируется установившаяся шероховатость, параметры которой
при дальнейшей обработке практически не меняются в течение
определенного времени [4-7]. Однако при дальнейшем увеличении
. (2.7)
23
времени обработки может наступить перенаклеп поверхностного
max
h
слоя.
Образование микрорельефа поверхности в процессе однокоординатной ВиОУО происходит путем многократного случайного
наложения следов единичных взаимодействий, оставляемых при
соударении с поверхностью детали. Очевидно, что в первую очередь шарики будут контактировать с выступами исходной шероховатости, при этом будет происходить постепенное их скругление. В
процессе обработки высотные параметры профиля будут уменьшаться, а шаговые изменяться незначительно.
Продолжение процесса обработки приведет в большинстве
случаев к полному передеформированию выступов исходной шероховатости, за исключением деталей с высокой твердостью и значительной исходной шероховатостью. В результате на поверхности
образуется новый микрорельеф, который характеризуется однородностью свойств по всем направлениям. Параметры этого микрорельефа не зависят от исходного профиля, а определяются только
технологическими режимами и размерами шариков. Дальнейшее
улучшение шероховатости поверхности детали можно получить
либо изменением режимов, либо заменой шариков на другие, с
большим диаметром.
Правильное построение геометрической схемы, отражающей
физическую сущность процесса обработки, позволит установить
качественное влияние различных технологических факторов на
процесс образования шероховатости поверхности и получить расчетные теоретические зависимости.
Если условно выделить в поверхностном слое детали сечение,
нормальное к обрабатываемой поверхности, то следы шариков в
этом сечении будут случайным образом накладываться друг на друга, а на поверхности детали будет копироваться их огибающая,
представляющая собой эффективный рабочий профиль инструмента. Он будет зависеть от максимальной глубины внедрения
, от
исходной шероховатости детали и от параметров распределения те-
24
кущих значений глубины внедрения
i
h
hd 50
A
C
b
l
i
h
i
H
ус
Средняя линия
исходного профиля
M
D
. Вычисление параметров
эффективного рабочего профиля инструмента позволит определить
параметры профиля шероховатости поверхности обработанной детали.
Для расчета параметров эффективного рабочего профиля используем методику, предложенную профессором А.В. Королевым
для описания теоретико-вероятностного процесса формирования
профиля шероховатости поверхности детали при абразивной обработке. Для этого нам понадобится использовать соотношение размеров единичных следов шариков. Как известно [4-7], сечение следов шариков имеет форму дуги окружности. Анализ зависимости
(2.2) позволяет установить, что для наиболее часто используемых
при ВиОУО шариков диаметром 4-6 мм соотношение размеров поперечного сечения следов обработки, а именно диаметра d и глубины h лунки, находится в определенных пределах:
. (2.8)
В процессе обработки происходит перекрытие единичных
следов, оставленных шариками, в результате чего ширина контакта
каждого шарика с обрабатываемой поверхностью неодинакова, а
края следов расположены на различном уровне. Следовательно,
глубина внедрения соседних шаров также неодинакова (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема образования профиля шероховатости поверхности при ВиОУО
25
0
0
0,5
k
i
i
l
nn
H
0
0 Hhi
i
n
i
l
max
h
0
n
0
H
0
H
ус
H
ус
H
i
h
i
d
Вышеуказанное обусловливает сложность описания функций
распределения глубин внедрения шариков в обрабатываемую поверхность. Аппроксимируем эту функцию распределения степенной зависимостью:
где
, при
– число отпечатков на уровне
глубины –
;
– номинальное количество шариков
над квадратом упаковки;
от отпечатка наибольшей
– разность глубин отпечат-
, (2.9)
ков; k – показатель распределения глубин отпечатков.
Величина
соответствует глубине залегания половины всех
отпечатков, измеренной от дна наиболее глубокого из них, при
условии, что функция распределения справедлива для всех отпечатков.
Для описания процесса образования профиля шероховатости
обрабатываемой поверхности в качестве критерия предлагается параметр
емой поверхности. Введем аналогичное определение
, названный условной высотой неровностей обрабатыва-
для
ВиОУО. Пусть в процессе обработки через нормальное сечение
профиля шероховатости поверхности детали прошло некоторое количество шариков. Каждый i-й шарик оставил лунку глубиной
шириной
рекрываются, при этом следы формируются неполными. Затем сле-
ды от следующих шариков частично опять перекрывают следы
предыдущих и т.д. При формировании профиля установившейся
шероховатости (см. рис. 2.1) его впадины представляют собой дно
наиболее глубоких единичных следов, а выступы образуются пересечением их боковых сторон. Под условной высотой неровностей
обработанной поверхности будем понимать расстояние от средней
линии АМ, проведенной между вершинами неровностей в данном
и
. Единичные следы от различных шариков частично пе-
26
поперечном сечении детали, до уровня самых глубоких впадин,
i
n
ld
сеч
n
i
i
1
1 1 1
50 50
сеч сеч сеч
n n n
iiiед
i i i
d h h l
имеющихся на этой поверхности, при этом учитывая, что края лунок примерно равномерно смещаются вверх и вниз от линии АМ.
За глубину внедрения шариков в данном поперечном сечении будем принимать длину, отсчитанную от этой линии.
Если бы шарики оставляли следы только полного профиля, то
на некотором уровне
данного нормального сечения детали сумма
ширины всех полных следов была бы равна длине сечения
, (2.10)
где n
– количество шариков, оставивших свой след в данном
сеч
нормальном сечении,
а вершины всех неровностей в сечении АМСD располагались бы на
одной линии.
За счет перекрытия следов по ширине вершины неровностей
смещаются вверх и вниз от линии АМ примерно равномерно, и эту
линию можно рассматривать как среднюю между вершинами всех
неровностей.
Таким образом, средняя линия между вершинами всех неровностей в данном нормальном сечении детали находится на том
уровне, где сумма ширин всех следов равна ширине обрабатываемого участка. Дальнейшие расчеты будем производить на единице
длины нормального сечения детали lед, так как величины n
и lед
сеч
связаны между собой.
Величину Нус определим при условии, что именно на этой высоте выполняется равенство (2.10). Учитывая соотношение (2.9) для
уровня Нус, можно записать
. (2.11)
Для нахождения глубины следа в данном нормальном сечении
обратимся к его форме. За расчетную глубину внедрения hi шарика
27
можно взять произведение глубины (h
max
max
i
ВН
hl
Р
h
2
max
max
i
i
hl
h
h
max
max
1
i
i
l
hh
h
2
max
11
max
1
сеч сеч
nn
i
i
ii
l
hh
h
1
0
0
2
k
i
i
n
lH
n
1
2
0
1
max max 0
0
1 1 2
сеч
сеч
n
n
k
ii
i
i
l H n
dn
h h n
1
0
max 0
2
k
i
Hn
Z
hn
2
1
1
1
max
0
11
сеч
n
k
i
сеч
i
l
Kn Z Z dZ
h
внедрения его с этой глубиной.
Из геометрических соображений:
Тогда
– li) на вероятность РВН
max
. (2.12)
. (2.13)
При достаточно большом n
от суммирования можно перей-
сеч
ти к интегрированию. Для этого выразим величину li через соответствующее количество шариков ni, контакт которых возможен с сечением АМСD на глубину hi. При этом воспользуемся зависимостью (2.9). После преобразований получим
(2.14)
.
Произведем замену:
.
После проведения соответствующих преобразований получим:
.
28
Интеграл представляет собой -функцию. Выразив ее через
2
1
max
3
12
33
сеч
n
i
сеч сеч
i
Г Г К Г К
l
Kn Кn
h Г К Г К
max
1
2
3
сеч
n
i сеч
i
ГК
h Kn h
ГК
max
1
2 50
3
сеч
n
i сеч ед
i
ГК
d K n h l
ГК
0
0
0,5
k
ус
сеч
H
nn
H
2
0 max
0
2
100
5
ус
ед
H
Г
n h l
H Г
0
0 max
4,2
ед
ус
l
НН
nh
3
ус
a
Н
R
Г-функцию, получим
Подставив полученное выражение в (2.11), получим
С учетом (2.11)
.
. (2.15)
. (2.16)
При этом на уровне АМ согласно (2.9) n
определяется сле-
сеч
дующим образом
.
Учитывая диапазон значений К для различных видов обработки, для удобства вычислений примем при ВиОУО К = 2. При этом
получим
.
После соответствующих преобразований и подстановки значений -функции получим зависимость для определения Нус
. (2.17)
Теперь можно перейти к определению величины среднего
арифметического отклонения профиля Ra при ВиОУО.
Параметры Нус и Ra характеризуют вид опорной кривой шероховатости поверхности. Распространяя эту методику на ВиОУО,
можно принять
.
29
Используя соотношение (2.17), после преобразований
0
0 max
6,15
ед
уст
Hl
Ra
nh
0 max
0,7Hh
max
0
0,34
ед
ус
hl
H
n
max
0
0,11
ед
уст
hl
Ra
n
2
1
2
.
4
отп
кв уп
Sd
P
SR
получим
. (2.18)
Для проведения расчетов по зависимостям (2.17) и (2.18)
необходимо определить величину Н0. К сожалению, она не может
быть определена экспериментально. Величина Н0 зависит от размеров шариков, режимов обработки и механических свойств материала обрабатываемой детали, т. е. от тех же параметров, что и h
max
Для проведения теоретических расчетов, учитывая данные, приведенные в работах 34, 42, сделаем допущение, что при ВиОУО
. (2.19)
Тогда из (2.17) и (2.18) получим зависимости для расчета условной
высоты и среднего арифметического отклонения профиля устано-
вившейся шероховатости
(2.20)
. (2.21)
Величину n0 определим из следующих соображений. В процессе ВиОУО поверхность детали непрерывно подвергается удар-
.
ному воздействию шариков. При этом количество ударов, приходящихся на квадрат упаковки шариков (в случае их упаковки по
квадрату) в единицу времени, носит случайный характер.
Геометрическая вероятность события, заключающаяся в том,
что любая точка квадрата упаковки покроется пятном контакта
(с использованием теоретико-вероятностной схемы повторения
опытов Бернулли), равна отношению площадей отпечатка и квадрата упаковки
. (2.22)
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]