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
21
соударения между собой или со стенками камеры, а следовательно, и с
поверхностью детали, будет такой же, как и скорость одного шарика,
определяется из условия:
ср ср
lL
. (2.16)
Средняя длина свободного пробега
ср
2
ш
1
2πlDN
, (2.17)
где
ш
шк
N N V
– число шариков в единице объема камеры; Vк – объем
камеры, м3.
Решая уравнение (2.17) относительно Nш при условии (2.16), по-
лучаем:
max
к
ш
ср
0,12
D
NV
L
, (2.18)
где
3
к
к
6 / (π)V V D
– относительный объем рабочей камеры.
Преобразовав зависимость (2.15) с учетом (2.11), (2.14) и (2.16),
определяем Kz:
3
к
3 max
ш
1,5 1,7 10 .
z
V
K
DN
(2.19)
Таким образом, если количество шариков в камере
max
шш
NN
, то
скорость их соударения с поверхностью детали определяется выражением (2.10). Если
max
шш
NN
, то уменьшается средняя длина пути lср,
проходимого каждым шариком до столкновения между собой или стенками камеры, т. е.
ср ср
lL
. В этом случае средняя скорость шариков бу-
дет определяться выражением:
и
дин
ши
в
2
.
ρ
z
z
P
K
(2.20)
Вводя коэффициент избыточности шариков
max
изб ш ш
/K N N
при
изб
1K
из совместного решения уравнений (2.13) и (2.20), находим:
и
ши
ш
изб
1
.
z
z
z
z
K
K
K
(2.21)
22
Тогда запишем зависимость для определения коэффициента
потерь Kzи с учетом K
изб
:
3
к
и
3 max
ш изб
1,5 1,7 10 .
z
V
K
D N K
(2.22)
Из анализа формул (2.21) и (2.22) видно, что при превышении мак-
симального количества загрузки шариков в K
изб
раз их средняя скорость
уменьшится в
изб
1 K
раз, что приведет к снижению интенсивности
процесса и, вероятно, к увеличению времени обработки.
При обработке деталей дробью даже под различными углами, пят-
но контакта в результате соударения шарика с поверхностью детали
будет представлять собой сферический сегмент диаметром d. Кроме того, исследования в области ОД показывают, что с точки зрения упрочнения и с точки зрения улучшения геометрических параметров поверхностного слоя, наиболее эффективной является обработка деталей под
углом 90°. Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать нормальное соударение рабочих частиц с поверхностью детали. Тогда исходя из геометрической схемы внедрения шарика в поверхность
детали (рис. 2.3) запишем формулу для определения диаметра d:
2
max
2
22
2
h
DD
d
или
maxmax
2 hDhd
. (2.23)
0
D
h
hmax
d
Рис. 2.3. Геометрическая схема процесса внедрения шарика
h
max
23
Поскольку при обработке деталей дробью углы соударения разных
шариков с поверхностью детали будут несколько отличаться, то при
определении глубины отпечатка заменим угол соударения шарика α'
на средний угол соударения α. Тогда выражение (2.8) для определения
максимальной глубины внедрения с учётом (2.9), (2.10), (2.13) и (2.22)
приведем к виду:
при дробеструйном упрочнении –
дин
ш
max в
см
ρ
0,82 sin α;
σρ
L
ss
P
h K k D
kc
при пневмодинамическом упрочнении в устройстве хаотического
типа –
дин к
ш
max в
max
шв
ρ
1,23 sin α.
σρ
z
ss
PV
hk
k c DN
2.2. Определение фактической площади контакта
при единичном взаимодействии
При отделочной обработке и обработке ППД деформирование не-
ровностей при ОД предположительно происходит следующим образом:
шарик взаимодействует с выступами микропрофиля поверхности обрабатываемой детали, в результате чего эти выступы пластически деформируются, вызывая течение металла (в микрообъёмах) в трёх направлениях, причём пластическая деформация происходит в поверхностном
слое детали. Это связано со значительным превышением твёрдости рабочих тел по сравнению с твёрдостью обрабатываемого материала.
Схема деформации микрорельефа обрабатываемого материала в зоне
контакта шарика с деталью представлена на рис. 2.4.
В начале процесса взаимодействия шарик соприкасается с вершинами неровностей детали по дуге. Длина отрезка контакта увеличивается по мере внедрения шарика в поверхность вплоть до частичной или
полной деформации микронеровностей. При этом силы трения на поверхности контакта препятствуют деформации неровностей в окружном направлении. Возникшие в результате взаимодействия касательные
напряжения максимальны на контактной поверхности и по мере удаления вглубь материала они уменьшаются. Увеличивающиеся на поверх-
24
ности контакта неровности с шариком давления приводят к пластическому течению металла в направлении минимального сопротивления,
т. е. в направлении свободной поверхности впадины микронеровностей.
В результате перераспределения усилий впадины микронеровностей
«поднимаются» вплоть до контакта с поверхностью обрабатывающего
шарика. Этот процесс протекает тем интенсивнее, чем ближе к зоне
максимального давления находится деформируемый выступ.
частица рабочей среды
исходный профиль
образовавшийся профиль
Рис. 2.4. Схема деформации микрорельефа поверхности обрабатываемого материала
в зоне контакта с частицей рабочей среды (шариком)
Таким образом, можно выделить две фазы деформации в зоне
обработки: начальную фазу и фазу последующей обработки.
В начальной фазе деформации неровностей шарики, соприкасаясь с
выступами микрорельефа обрабатываемой поверхности, создают высокое поверхностное давление на этих выступах. В результате этого образуется внутренняя сетка линий скольжения, вдоль которой наступает
пластическая деформация. По мере увеличения контактного давления
происходит течение металла по линиям скольжения.
В последующей фазе обработки в результате многократного ударного воздействия шариков на обрабатываемую поверхность, микрообъёмы металла под действием внутренних реакций перемещаются в
направлении свободных поверхностей впадин неровностей, заполняя
эти впадины. Таким образом, меняя размеры рабочих тел и режимы обработки, можно достичь частичной или полной деформации обрабатываемой поверхности.
25
Деформация поверхностного слоя в значительной степени определяется физико-механическими свойствами материала обрабатываемой
детали, а также количеством взаимодействий, приходящихся на каждую точку обрабатываемой поверхности.
Контактные напряжения, возникающие в зоне обработки под действием шариков, зависят не только от усилия соударения, но и от диаметра шарика и высоты исходных микровыступов. Контактные напряжения определяются площадью фактического контакта, которая может
быть оценена только приблизительно, так как истинная поверхность
контакта обрабатывающего тела с обрабатываемой поверхностью при
таком сложном процессе, как ОД, не может быть определена точно.
Контактная поверхность, вследствие её зависимости от угла соударения и формы исходной шероховатости, имеет сложную пространственную форму. В случае обработки стальными полированными шариками представляется возможным принять форму номинальной контактной поверхности в виде сферического сегмента. Это значительно
упростит теоретические расчёты.
Номинальная поверхность контакта шарика и детали, подвергаемой обработке, представляет собой поверхность эллипсоида, близкую к
сферическому сегменту диаметром d, и ее площадь может быть рассчитана следующим образом:
ном max
πS dh
.
Для определения фактической площади контакта можно воспользоваться показателем – опорной длиной профиля tp:
ф ном p
S S t
,
ф maxπp
S dh t
.
Значение tp берётся на уровне максимальной глубины внедрения
шарика и определяет значение коэффициента учёта влияния шероховатости поверхности детали на фактическую площадь контакта:
ps
tk
.
Значение ks может быть определено из профилограмм исходного
профиля поверхности. Для многих методов обработки деталей машин
данные о значении tp на различных уровнях сечения профиля уже имеются.
26
Проанализировав зависимости, описывающие размеры отпечатка
при единичном взаимодействии шарика с обрабатываемой поверхностью детали, можно сделать выводы:
– при увеличении динамического давления Р
дин
(а следовательно, υш)
размеры отпечатка увеличиваются;
– при увеличении диаметра и массы шарика размеры отпечатка
увеличиваются;
– при увеличении предела текучести материала детали размеры
отпечатка уменьшаются;
– на размеры отпечатка также оказывает влияние плотность пульпы, которая, в свою очередь, зависит от концентрации в ней шариков.
При увеличении концентрации шариков их скорость снижается, что
приводит к уменьшению размеров отпечатков;
– размеры пластического отпечатка, а следовательно, эффективность обработки при использовании пневмодинамического метода, зависят от динамического состояния массива технологических частиц,
действующих на обрабатываемую поверхность, причем это состояние
зависит от количества шариков в рабочей камере. Для расчета рационального количества шариков в рабочей камере предложены соотношения (2.18) – (2.22).
Таким образом, рассмотренная модель взаимодействия шариков с
поверхностью детали отражает физическую сущность происходящих
явлений, не противоречит установившимся представлениям в области
отделочной обработки и позволяет перейти к построению модели формирования микрогеометрических и физико-механических параметров
поверхностного слоя деталей при упрочняющей ОД.
2.3. Формирование профиля установившейся шероховатости
Пластическое деформирование поверхности детали при отделочно-упрочняющей ОД происходит при многократном взаимодействии с ней стальных полированных шариков. Образуются единичные лунки с поперечной шероховатостью, зависящие от параметров
исходного профиля. Микрорельеф поверхности образуется путём
наложения и пересечения единичных следов (лунок). Так как стальные
27
шарики при взаимодействии с поверхностью в первую очередь контак-
тируют с выступами исходной шероховатости, то в процессе обработки
будет наблюдаться значительное изменение высотных параметров профиля и незначительное шаговых (рис. 2.5).
Исходная шероховатость
Шероховатость на промежуточном этапе обработки
Установившаяся шероховатость
Рис. 2.5. Образование профиля установившейся шероховатости
Если остановить процесс обработки до получения установившейся
шероховатости, то наблюдается увеличение опорной поверхности профиля по сравнению с исходной.
Продолжение процесса ОД приведёт к передеформированию выступов исходной шероховатости в том случае, если у деталей изначально была невысокая твёрдость и значительная исходная шероховатость.
На поверхности детали образуется новый специфический для ОД
микрорельеф, характеризующийся однородностью свойств по всем
направлениям. При продолжении процесса обработки он постоянно
воспроизводится, а его параметры не будут изменяться в некоторый
промежуток времени (вплоть до наступления перенаклёпа поверхности).
Параметры установившейся шероховатости будут определяться только
технологическими режимами, размерами шариков и физикомеханическими свойствами материала детали. Дальнейшего улучшения
шероховатости поверхности можно достичь изменением динамического
давления расстояния от сопла до обрабатываемой детали или заменой
рабочей среды.
28
2.3.1. Геометрическая схема образования профиля
установившейся шероховатости
Выделим в поверхностном слое детали, подвергнутой ОД, сечение,
нормальное к обрабатываемой поверхности. За небольшой промежуток
времени с ним будет взаимодействовать некоторое количество шариков.
При этом кривая, огибающая профиль следов единичного взаимодействия в рассматриваемом сечении, будет представлять собой элементарный рабочий профиль обрабатывающего инструмента (среды). Увеличение времени обработки приведёт к тому, что элементарные рабочие профили будут накладываться друг на друга случайным образом,
образуя эффективный рабочий профиль обрабатывающей среды, который будет зависеть от максимальной глубины внедрения шарика h
max
,
исходной шероховатости обрабатываемой детали и текущего значения
глубины внедрения шарика hi (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема образования профиля шероховатости поверхности при ОД
Поперечное сечение следов единичного взаимодействия имеет
форму дуги окружности. Как показывает практический опыт и геометрические построения, соотношение диаметра и глубины лунки изменяется от 17 до 30, в зависимости от предела текучести материала детали,
поэтому для расчетов сделаем допущение:
ii
hd 25
.
29
Из рис. 2.6 видно, что следы, оставленные шариками, перекрыва-
ются, в результате чего ширина контакта каждого шарика с обрабатываемой поверхностью неодинакова, а края следов располагаются на
различном уровне.
Таким образом, глубина внедрения соседних шариков также не-
одинакова. Это обусловливает сложность описания функции распределения глубины внедрения шариков в обрабатываемую поверхность.
Небольшая доля частиц от их общего числа, которая участвует во взаимодействии, будет оставлять следы глубиной, близкой к h
max
. Аппрок-
симируем их функцию распределения степенной зависимостью:
0
0
0,5
k
i
i
l
nn
H
, при
0
0 Hhi
,
где ni – число лунок на уровне li от отпечатка наибольшей глубины h
max
;
n0 – номинальное количество взаимодействующих шариков над квадратом упаковки рабочей среды; H0 – разность глубин следов; k – показатель распределения глубины отпечатков, k ≤ 3.
Разность глубин следов соответствует глубине залегания половины
из всех отпечатков, измеренной от дна наиболее глубокого отпечатка,
при условии, что функция распределения глубин отпечатков в начальной части была справедлива для слоя отпечатков.
По аналогии с описанием процесса образования шероховатости
поверхности при шлифовании и других видах абразивной обработки, в
качестве критерия выбран параметр Нус, названный условной высотой
неровностей обрабатываемой поверхности, а также дана методика
определения высотных параметров шероховатости поверхности при его
использовании. Представляется возможным ввести аналогичное определение Нус для ОД.
Пусть в процессе обработки через номинальное сечение профиля
поверхности детали прошло некоторое количество шариков, каждый из
которых оставил лунку глубиной hi и диаметром di. Эти следы частично
перекрываются, при этом шарики оставляют неполные следы. Выступы
исходной шероховатости уменьшаются. Впадины вновь образовавшегося микрорельефа представляют собой дно наиболее глубоких единичных следов, а выступы образуются пересечением боковых сторон
следов от отдельных шариков.
30
Под условной высотой неровностей обработанной поверхности Нус
примем расстояние от средней линии AM (см. рис. 2.6), проведённой
между вершинами неровностей в данном поперечном сечении детали,
до уровня самых глубоких впадин, имеющихся на этой поверхности.
Принимая во внимание то, что края лунок примерно равномерно смещаются вверх и вниз от линии AM, за глубину внедрения шариков в
рассматриваемом поперечном сечении примем глубину, отсчитанную
от этой линии.
Рассмотренную схему возможно использовать для определения па-
раметров профиля установившейся шероховатости.
2.3.2. Определение среднего арифметического отклонения профиля
установившейся шероховатости
Поверхность детали, подвергнутой ОД, представляет собой совокупность следов, оставленных стальными шариками при их взаимодействии с этой деталью. Предположим, что шарики оставляют следы
только полного профиля. Тогда на уровне hi данного нормального сечения поверхности детали суммарная ширина всех полных следов оказалась бы равной ширине обрабатываемого участка:
сеч
ед
1
n
i
i
dl
, (2.24)
где
сечn
– количество шариков, оставивших свой след в результате об-
работки в данном нормальном сечении.
При этом вершины всех неровностей в сечении AMDC располагались бы на одной линии. По ширине вершины неровностей смещаются
вверх и вниз от линии AM, а так как это смещение примерно равномерное, то линию AM можно рассматривать как среднюю между вершинами всех неровностей. Таким образом, линия AM находится на уровне,
где сумма ширины всех следов, оставленных шариками в данном сечении детали, равна ширине обрабатываемого участка. Дальнейшие расчёты проведем на единице длины нормального сечения детали lед.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]