Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование систем повышения эффективности обработки деталей дробью при условии снижения шума и вибрации на рабочем месте оператора. Учебное пособи
.pdf
11
Наиболее приемлемым может быть энергоемкостный показатель,
который, по аналогии с коэффициентом полезного действия, определяется по формуле:
э
1
1
100,
n
i
i
m
i
i
W
E
N
где Wi – энергия, расходуемая в i-м способе на захват, улавливание и
удаление частиц ЗВ из воздушного объема (полезная энергия);
Ni – энергия, расходуемая на реализацию i-го способа снижения загрязнения воздуха (затраченная энергия); i – соответствующий механизм
взаимодействия исходной системы с дополнительными, обеспечивающий реализацию рассматриваемого этапа процесса снижения загрязнения воздуха (см. рис.1.1).
Данный показатель учитывает эффективность реализации процесса
снижения загрязнения воздуха и позволяет оценить, насколько эффективно используется затраченная энергия с точки зрения достижения цели процесса – обеспечения концентрации загрязняющих веществ в воздухе ниже ПДК. Детальный анализ действующих механизмов в процессе снижения загрязнения воздуха позволяет эффективно использовать
каждый из них, определять пути совершенствования процесса и получать возможность аналитически прогнозировать и оптимизировать его
рабочие параметры.
12
2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ДРОБЬЮ
2.1. Анализ процесса единичного взаимодействия частиц
рабочей среды с поверхностью детали
При исследовании основных технологических параметров ОД одним из важнейших является вопрос теоретического моделирования
процесса единичного взаимодействия частиц дроби с поверхностью обрабатываемой детали. Разработка теоретических зависимостей, описывающих форму и размеры следов обработки, позволяет перейти к теоретико-вероятностному описанию распределения следов на поверхности детали, что, в свою очередь, даёт возможность разработать модель
формирования профиля шероховатости и физико-механических свойств
поверхности детали.
Процесс единичного взаимодействия является основополагающим.
Исследования показывают, что частицы среды соприкасаются с поверхностью детали под различными углами. Поэтому для построения
модели единичного взаимодействия, адекватно описывающей процесс
ОД, вначале целесообразно рассмотреть случай косого соударения.
В большинстве случаев обработки деталей дробью используются
стальные шарики, поэтому для упрощения схемы взаимодействия принимают, что рабочей частицей является абсолютно гладкая жесткая
сфера, а диаметры всех шариков одинаковы. Кроме того, учитывают
только скольжение шарика по поверхности при внедрении, исключая
возможное перекатывание. Поскольку, как правило, размеры, масса деталей и радиусы кривизны их поверхностей значительно превосходят
размеры и массу шариков, то считают, что поверхностью детали
являет-
ся полупространство. В дальнейшем анализируют только средние вероятностные значения различных параметров единичного взаимодействия.
Шарик взаимодействует с поверхностью детали следующим
образом. Двигаясь под некоторым углом α' к обрабатываемой поверхности, шарик внедряется в неё. При этом он должен пройти некоторое
расстояние по касательной в теле деформируемого полупространства.
При внедрении шарика его кинетическая энергия расходуется как
на пластическое деформирование материала, так и на преодоление сил
13
адгезии. При перемещении твёрдой сферы по пластически деформируемому полупространству на неё действует сила сопротивления P, каса-
тельная составляющая которой P тормозит движение шарика, а нормальная составляющая PN стремится вытолкнуть шарик из материала.
Однако анализ экспериментальных исследований в области ОД показал, что в широком диапазоне используемых режимов и размеров частиц кинетическая энергия шарика оказывается недостаточной для преодоления касательной составляющей силы сопротивления. В редких
случаях, при максимально жестких режимах и обработке мягкого материала, пятно контакта будет представлять собой поверхность эллипсоида,
полуоси которого отличаются не более чем на 10 %. Исходя из этого
можно предположить, что при взаимодействии шарика с поверхностью
смещение в тангенциальном направлении не произойдет и пятном контакта будет являться сферический сегмент. Тогда сделаем допущение и
вначале, для упрощения модели процесса единичного взаимодействия
при ОД, не будем учитывать трение, возникающее в зоне контакта
«шар–тело».
Пусть стальной полированный шарик диаметром D движется со
скоростью υш под углом α' к поверхности детали и ударяется об неё с
силой, достаточной для пластического деформирования её поверхности.
Взаимодействие жёсткого шарика с деформируемым полупространством описывается системой уравнений:
2
2
2
τ
2
d
,
d
d
,
d
N
h
mP
t
x
mP
t
(2.1)
где m – масса шарика, кг;
3
ш
1
πρ
6
mD
, (2.2)
h – глубина внедрения частицы, м; ρш – плотность материала
шарика, кг/м3; t – время взаимодействия, с; PN, P – нормальная и каса-
тельная составляющие силы взаимодействия частицы с полупространством, действующие только в течение времени взаимодействия t, Н;
х – диаметр сферы, м.
Интегрирование уравнений (2.1) производилось по времени взаимодействия сферы с деформируемым полупространством, причем длительность контакта определялась из условия
d / d 0ht
. Модель линей-
14
ной зависимости сил контактного взаимодействия от глубины внедрения сферы в активной фазе соударения основывалась на гипотезе о пластическом характере контакта.
Решение системы (2.1) с начальными условиями: h=0,
ш
d / d sin α'ht
при
0t
, где ʹ – угол соударения, и
max
hh
,
d / d 0ht
при
t
, где – длительность контакта, позволит получить зависимости для определения размеров пластического отпечатка – глубины и
диаметра.
Решим систему, используя соотношение теории пластического
контакта гладкого сферического индентора с деформируемым полупространством:
1
πσ
2
N s s
P Dhc k
, (2.3)
где с – коэффициент несущей способности контактной поверхности,
c = 1–6 для материала в нормальном состоянии, c = 10 при наличии
наклёпа; σs – предел текучести материала, Па; ks – коэффициент, учитывающий площадь фактического контакта.
Решив уравнения (2.1) в общем виде с учетом (2.2) и (2.3),
получим:
tKBtKAh cossin
,
где
2
ш
3
ρ
ss
ck
K
D
.
Поскольку при t = 0, h = 0, то В = 0. Тогда:
tKAh sin
. (2.4)
Определим А:
d
cos
d
h
K A K t
t
, (2.5)
при t = 0,
ш
d / d sin α'ht
, тогда
ш
sin α'KA
, следовательно:
ш
sin α'
A
K
. (2.6)
За некоторое время контакта t = τ шарик достигнет максимальной
глубины внедрения и остановится. При этом его скорость будет
d /d 0ht
. Тогда из уравнения (2.5) определим время:
cos τ0K A K
,
15
так как
0K
и
0A
, то
cos τ0K
. Следовательно:
π
τ.
2 K
(2.7)
Подставляя выражение (2.7) в формулу (2.4) с учетом (2.6), опреде-
ляем максимальную глубину внедрения шарика в поверхность детали:
ш
max ш
ρ
sin α ' .
3 σ
ss
hD
kc
(2.8)
В исследованиях процесса ОД установлено, что размеры лунки и
напряженное состояние поверхностного слоя зависят от характера трения в зоне контакта шарика с поверхностью детали. Для описания процесса пневмодробеструйной обработки (сухая ОД) применима теория
сухого трения. Гидродробеструйное упрочнение относится к гидродинамическому трению, так как в зоне удара всегда имеется достаточная
прослойка СОЖ (технологической жидкости). Поскольку при упрочнении дробью имеет место в основном нормальное соударение, когда шарик внедряется в тело, а не скользит по нему, трение возникает в зоне
контакта от относительного проскальзывания при вдавливании шарика.
Возникающее в данном случае трение называют трением удара.
Существуют различия в процессах и результатах обработки с при-
менением СОЖ и без нее.
Процесс пневмодробеструйного упрочнения сопровождается сле-
дующими явлениями:
взаимодействие шарика и поверхности детали в условиях сухого
трения при значительных скоростях приводит к возникновению высокой локальной температуры (600–650 °С);
остаточные напряжения сжатия имеют значительный подслой-
ный максимум, что отрицательно влияет на эксплуатационные свойства
деталей;
при высоких скоростях (более 30 м/с) происходит ухудшение
шероховатости поверхности; шероховатость сильно зависит от качества
поверхности дробинок;
возможен перенос частиц дроби на поверхность детали;
нестабильность режима упрочнения; это объясняется сильным
износом дроби от сухого трения, что приводит к уменьшению диаметра
дроби в течение нескольких часов непрерывной работы.
16
Процесс гидродробеструйного упрочнения имеет следующие осо-
бенности:
остаточные напряжения – только сжимающие и, как правило, не
имеют подслойного максимума;
происходит снижение шероховатости поверхности;
исключается процесс газонасыщения в связи с низкой темпера-
турой в зоне контакта и наличием изоляционного слоя, создаваемого
пленкой СОЖ;
практически невозможен перенос частиц дроби на поверхность
детали.
Для того, чтобы учесть влияние сухого и гидродинамического трения на процесс формирования остаточного отпечатка, а также на параметры упрочнения поверхностного слоя в дальнейшем, введем коэффициент kв, учитывающий условия взаимодействия в зоне контакта «шарик–тело» (наличие или отсутствие технологической жидкости). Тогда
зависимость для h
max
примет вид:
ш
max вш
ρ
sin α
3 σ
ss
h k D
kc
. (2.9)
Значение коэффициента kв в зависимости от материала детали составляет 0,17–0,20 – для гидродробеструйной обработки (с применением технологической жидкости) и 0,30–0,37 – для пневмодробеструйной
и пневмодинамической обработки (без применения технологической
жидкости).
В зависимости от метода обработки (гидро- или пневмодробеструйная обработка) двухфазную смесь, состоящую, соответственно, из
жидкости (воздуха) и шариков (дроби), можно рассматривать как жидкость (газ), свойства которой зависят от объемного содержания примеси.
Ввиду использования в процессе ОД частиц малой массы и размеров и
низкой концентрации дроби (от 3,5 до 0,8 %), можно пренебречь торможением частиц в потоке и считать скорость движения всех фаз рабочей смеси одинаковой.
Для определения скорости шариков при их движении в потоке воздуха или жидкости применимы законы гидродинамики.
17
Схема обработки детали дробью свободной струей представлена на
рис. 2.1. В качестве движителя дроби возможно использование как
жидкости, так и воздуха.
смш
0
ш
L
динсм
Р,
Деталь
Рис. 2.1. Схема гидро- и пневмодробеструйной обработки свободной струей
Скорость истечения смеси через отверстие или насадок под давлением можно представить в следующем виде:
дин
см ш0
см
2ρP
,
где Р
дин
– динамическое давление смеси, Па; ρсм – плотность рабочей
смеси жидкости (воздуха) и шариков, кг/м3; υш0 – скорость шарика в потоке смеси на вылете из сопла, м/с.
Учитывая расстояние от сопла до поверхности детали, скорость
шарика, движущегося в потоке жидкости или воздуха, при подлете к
поверхности детали определяем по зависимости:
дин
ш
см
2
ρ
L
P
K
, (2.10)
где KL – коэффициент потерь, учитывающий расстояние от сопла до поверхности обрабатываемой детали.
Коэффициент потерь KL в большей степени зависит от расстояния
до обрабатываемой детали, а параметры рабочей смеси влияют на него
незначительно. Наибольшая производительность при ОД достигается на
расстоянии до поверхности детали 150 – 200 мм. На расстоянии менее
150 мм производительность снижается, хотя скорость струи возрастает.
Снижение производительности в данном случае происходит из-за того,
что площадь пятна контакта струи мала, а плотность потока шариков
велика. В результате возникает эффект «экранирования»,
υ
ш0
= υ
см
υ
ш
υ
см
, Р
дин
18
т. е. часть шариков, отскакивая от поверхности детали и сталкиваясь с
другими, не позволяет им контактировать с обрабатываемой поверхностью. С увеличением длины струи более 200–250 мм происходит
значительное увеличение диаметра факела струи и снижение энергии
взаимодействия. Таким образом, увеличивается время обработки, а
иногда становится совсем невозможным получить заданные параметры
поверхностного слоя детали.
Определим коэффициент потерь KL экспериментальным путем.
Плотность рабочей смеси жидкости (воздуха) и шариков можно
определить по зависимостям соответственно:
ш.н
см.ж ж ш ж
ш
ρ
ρ,–ρ (ρ ρ )
ρ
K
ш.н
см.в в ш в
ш
ρ
ρ = ρ (ρ ρ )– ,
ρ
K
где ρж (ρв) – плотность жидкости (воздуха), используемой в качестве
движителя шариков, кг/м3; K – объемная концентрация шариков в рабочей жидкости (воздухе); ρш – плотность материала шариков, кг/м3;
ρ
ш.н
– насыпная плотность шариков, кг/м3.
Объемная концентрация определяется как отношение объема ша-
риков V
ш.с
к объему рабочей смеси Vсм:
ш.с
см
.
V
KV
Схема ОД в устройстве хаотического типа приведена на рис. 2.2.
Ее применяют, когда необходимо произвести локальное упрочнение детали, например, цилиндрической поверхности сквозного либо глухого
отверстия, отдельной плоскости и не затронуть остальные поверхности.
В качестве движителя дроби в устройствах такого типа используется
воздух. Такие устройства могут быть с односторонним или многосторонним подводом сжатого воздуха. Рассмотрим обработку в устройстве
с односторонним подводом сжатого воздуха.
При реализации данной схемы обработки движение шариков носит
стохастический характер. Скорость и направление потока шариков зависит от направления и скорости воздушных потоков в устройстве,
формы и размеров рабочей камеры, числа шариков в камере и их размеров, поэтому определение скорости и углов взаимодействия шариков
19
с поверхностью детали представляет определенные сложности. В связи
с этим для их вычисления используют приближенную оценку.
ВоздухВоздух
z
ш
динв
Р,
Обрабатываемая
поверхность
динв
Р,
z
ш
Воздух
Воздух
Обрабатываемая
поверхность
Рис. 2.2. Схема обработки деталей дробью в устройстве хаотического типа:
а – обработка плоского участка; б – обработка отверстий
В областях, наиболее реальных для пневмодинамических
устройств (D
п.к/Lк
= 0,10–0,25; dо/Lк = 0,02–0,05, где D
п.к
– приведенный
диаметр поперечного сечения камеры, м, Lк – длина камеры, м,
dо – диаметр отверстия истечения воздуха, м), средняя скорость воздушного потока внутри камеры составляет 20–60 % скорости воздуха
на входе в нее:
в.ср в
0, 2 0,6
z
. (2.11)
Скорость воздуха на входе в рабочую камеру можно вычислить по
формуле, аналогичной (2.10), подставив вместо плотности рабочей смеси ρсм плотность воздуха:
дин
в
в
2.P
Зависимость средней скорости шарика от средней скорости воз-
душных потоков в рабочей камере устройства
ш в.ср
0,01 0,05
zz
, (2.12)
ш
z
ш
z
в д ин
, Р
в дин
, Р
а) б)
20
Таким образом, приближенно среднюю скорость шарика в рабо-
чей камере устройства хаотического типа можно определить по зависимости:
дин
ш
в
2
ρ
z
z
P
K
, (2.13)
где Kz – коэффициент потерь устройства хаотического типа, с учетом
(2.11) и (2.12) Kz = 0,002 – 0,030.
Коэффициент потерь Kz будет зависеть от направления и скорости
воздушных потоков в устройстве, формы и размеров рабочей камеры,
числа шариков в камере и их размеров. Для теоретического определения значения Kz преобразуем зависимость для определения средней
скорости шариков в устройстве хаотического типа:
ср в.ср ср
0,011 / ,
z
LD
где υср – средняя скорость шариков в камере устройства, м/с;
в.ср
z
– средняя скорость воздуха в камере устройства, м/с; Lср – среднее
расстояние, проходимое каждым шариком от момента начала воздействия на него воздушного потока до момента встречи с деталью, м.
Среднее расстояние можно определить по зависимости:
22
ср п.к к п.к к
1
6
L D L D L
, (2.14)
где
п.к к к
4
1,13
π
D S S
, Sк – площадь поперечного сечения камеры, м2.
Тогда соотношение средних скоростей шариков и воздуха внутри
устройства можно представить в виде:
ср
ш
в.ср
0,011 .
z
z
L
K
D
(2.15)
Если в камере находится не один, а несколько шариков, то ско-
рость их движения не будет зависеть от числа шариков Nш до тех пор,
пока средняя длина свободного пробега lср будет больше Lср. Под средней длиной свободного пробега понимают среднее расстояние, проходимое шариками до столкновения между собой или со стенками камеры.
Наибольшее число шариков
max
ш
N
, при котором их средняя скорость
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]