Українська      English

Шелкунова Дарья Николаевна

Факультет инженерной механики и машиностроения

Специальность: технология машиностроения

Научный руководитель: Ивченко Татьяна Георгиевна

Тема выпускной работы:

Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин с использованием методов поверхностно-пластического деформирования

Реферат по теме выпускной работы

Актуальность работы

Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству деталей машин: точности размеров и формы, физико-механическим свойствам и рельефу поверхности; к их эксплуатационным характеристикам: износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости, герметичности и т.п. Надежность машин в значительной мере определяется состоянием и несущей способностью поверхностного слоя их деталей, параметры которого, как правило, формируются на финишных операциях изготовления и определяются технологией производства.

Одним из наиболее перспективных методов повышения качества обработанной поверхности деталей машин при механообработке является отделочно-упрочняющая обработка поверхностно-пластическим деформированием (ППД). В связи с этим весьма актуальны исследования алмазного выглаживания, получившее достаточно большое распространение.

Этот способ обработки обеспечивает благоприятное с позиции эксплуатационных свойств сочетание параметров шероховатости, микрорельефа поверхностного слоя, микротвердости, величины и характера распределения технологических остаточных напряжений при изготовлении широкого круга ответственных деталей, таких как штоки, трубы, валы, оси и другие, изготавливаемых, как правило, из высокопрочных сталей и работающих в условиях высоких скоростей, повышенного износа и циклических знакопеременных нагрузок.

Цели и задачи работы

Целью работы является повышение производительности механической обработки и качества поверхностного слоя деталей машин на основе применения одного из прогрессивных методов ППД – алмазного выглаживания.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Обосновать целесообразность использования алмазного выглаживания как окончательного метода механической обработки при обработке групп деталей тел вращения.

2. Исследовать тепловое состояние детали при алмазном выглаживании.

3. Исследовать закономерности формирования параметров состояния поверхностного слоя (шероховатость, степень упрочнения, остаточные напряжения) при алмазном выглаживании.

4. Исследовать взаимосвязь параметров состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин (износостойкость, прочность, герметичность).

5. Разработка технологического процесса обработки детали «труба» с применением алмазного выглаживания.

6. Разработать рекомендации по выбору параметров обработки при алмазном выглаживании.

Научная новизна

1. Определение температуры в поверхностном слое детали при алмазном выглаживании.

2. Разработка математической модели определения параметров состояния поверхностного слоя (шероховатость, степень упрочнения, остаточные напряжения) при алмазном выглаживании.

3. Разработка методики расчета параметров эксплуатационных свойств: износостойкости, прочности и герметичности при алмазном выглаживании.

Обзор существующих исследований

Проводя анализ работ по теме, можно сказать, что многие ученые занимались вопросами поверхностно-пластического деформирования. Например, в книге Одинцова Л.Г.[1] «Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием» приведены основные данные о методах ППД, применяемых инструментах, оснастке и оборудовании, об эксплуатационных свойствах деталей, обработанных ППД. Даны практические рекомендации по эффективному использованию различных методов на основе анализа особенностей, преимуществ и недостатков каждого метода, а также рекомендации по выбору оптимальных параметров обработки. В книге А.Г.Бойцова [7] «Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами» изложены вопросы теории и практики комбинированного упрочнения поверхностей деталей из различных материалов. Рассмотрены особенности формирования упрочненного слоя при сочетании различных по природе видов упрочняющего воздействия.

Тепловыми вопросами занимался А.Н. Резников [9] . В своей книге «Тепловые процессы в технологических системах» он изложил методы расчета и экспериментального изучения тепловых процессов в технологических системах. Описал способы интенсификации механической обработки, основанные на управлении тепловыми процессами.

Отдельно вопросами алмазного выглаживания занимались Папшев Д.Д. [12], В.М.Смелянский [8], А.Н. Резников [10]. В их книгах рассмотрены основные закономерности процессов и происходящие при этом физические явления. Приведены данные о влиянии выглаживания на эксплуатационные свойства деталей машин и инструментов, приводятся результаты экспериментального и теоретического исследований напряженно-деформируемого очага деформации, накопленной деформации, степени деформационного упрочнения, исчерпания запаса пластичности металла и остаточных напряжений. Также изложены основные данные о различных видах абразивного и алмазного инструмента, его конструкции и особенностях эксплуатации, а также о различных методах абразивной и алмазной обработки. Приведены практические рекомендации по эффективному использованию шлифовальных кругов с зернами из абразивов, алмазов и других современных сверхтвердых материалов.

Основная часть

Сущность алмазного выглаживания заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом – выглаживателем. Инструмент раздвигает металл, образуя канавку на поверхности (Рис.1).

Рис. 1 Схема алмазного выглаживания

(Анимация: количество кадров - 10, количество циклов - 10, размер - 137 кБ)

При этом создаются три вида очагов деформирования в зависимости от соотношения глубин внедрения инструмента и исходных параметров шероховатости.

В формировании поверхностного слоя деталей важнейшую роль играют тепловые явления в зоне обработки ППД, так как процесс пластического деформирования сопровождается интенсивным тепловыделением и повышением температуры контактных поверхностей инструмента и детали. В настоящее время методы исследований теплового состояния зоны обработки достаточно хорошо разработаны. Однако, существующая методика определения тепловых потоков на первом этапе теплофизического анализа [1, 9], весьма затруднительна для практического применения. Имеющиеся сведения о закономерностях формирования тепловых потоков в зоне резания распространяются в основном на лезвийную обработку [3], информация о методах обработки ППД практически отсутствует.

Задача определения температурных полей в детали и инструменте вполне успешно решается с использованием метода источников теплоты [2, 9, 4], который характеризуется достаточной простотой и наглядностью в сравнении с другими аналитическими и численными методами. При алмазном выглажива-нии основное внимание необходимо уделять исследованию теплового состоя-ния детали, так как именно качество ее поверхностного слоя, зависящего от температуры, должно быть обеспечено на операциях окончательной обработки ППД.

Цель представляемой работы – анализ закономерностей формирования и путей управления тепловыми потоками и температурами в зоне обработки при алмазном выглаживании.

Основным источником теплоты, выделяющейся в процессе алмазного выглаживания, является работа сил упругопластического деформирования материала обрабатываемой детали.

Рис. 2 Схематизация процесса алмазного выглаживания

В процессе алмазного выглаживания детали радиуса R, вращающейся со скоростью V (рис.2.), алмазный индентор, имеющий форму сферы радиусом r, пластически деформирует материал на глубину h. Величина Δ представляет собой упругое восстановление материала детали после прохода инструмента. Вся длина контакта между инструментом и деталью АВС делится на два участка, называемых по аналогии с режущим инструментом передней поверхностью АВ (определяемой углами φ, γ и ε1) и задней АС (определяемой углами α и ε2).

Проекция контактной площадки между сферической рабочей частью инструмента и цилиндрической поверхностью детали при статическом вдавливании имеет форму эллипса. Вследствие движения индентора и деформации материала детали форма поверхности контакта отличается от эллипса, однако с достаточной точностью контактную поверхность можно заменить прямоугольником шириной b (в направлении движения подачи индентора S) и длиной l = (l₁ + l₂), где l₁ – длина контакта по передней поверхности (дуга АВ), l₂ - по задней (дуга АС).

Углы контакта ε1 и ε2 определяются условиями упругопластического деформирования поверхностного слоя. Так для закаленных сталей при сглаживающем режиме обработки ε1 = 6 - 7° для мягких материалов - ε1 = 2 - 3° [2].

Вследствие малости углов ε1 и ε2 дуги АВ и АС могут быть заменены соответствующими хордами. Зная углы контакта ε1 и ε2, а так же принимая ε1 = 0,5ε2, для расчета размеров площадки можно использовать формулы:

Силы, действующие на контактных площадках bxl₁ и bxl₂ на передней и задней поверхностях индентора, определяются следующим образом:

где Р_Т - тангенциальная сила, действующая в направлении скорости главного движения, определяемая в зависимости от радиальной силы выглаживания Р.

При схематизации компонентов исследуемой системы деталь рассматривается как полупространство, инструмент – как полуограниченный стержень, имеющий конфигурацию зоны контакта инструмента и детали.

Источники теплоты при алмазном выглаживании рассматриваются как плоские прямоугольные, стационарные, так как процесс теплообмена при выглаживании достаточно быстро устанавливается. Источники теплоты являются неподвижными для инструмента и быстродвижущимися для детали.

В зоне обработки возникают два основных источника теплоты: q_1Т - в зоне пластической деформации на передней поверхности АВ и q_2Т - в зоне упругого восстановления на задней поверхности ВС (максимальные интенсивности источников q₀₁ и q₀₂). Принимается, что законы распределения интенсивности источников нессиметричные нормальные:

Теплота каждого из источников передается детали и индентору. Плотности тепловых потоков (стоков), направленных из детали в инструмент, на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора принимаются равномерно распределенными.

Плотности равномерно распределенных по площадкам bxl₁ и bxl₂ тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора, определяются из системы уравнений [2]:

где λ_д, λ_и, ω_д, ω_и – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материалов детали и инструмента соответственно; M₁, M₂, N₁, N₂ - безразмерные функции, определяющие нагрев площадок на передней и задней поверхностях инструмента; К_о – коэффициент, учитывающий ограниченность источника по ширине b, К_о = 0,87; К_с – коэффициент формы для двумерного быстродвижущегося источника с нессиметричным нормальным распределением, учитывающий отличие от источника с равномерным распределением, К_с = 0,55; коэффициент β = l₂/ l₁; коэффициенты χ₁ = 0,6, χ₂ = 0,75 [2].

Безразмерные функции, определяющие нагрев контактных площадок:

где η - безразмерная ширина η₁ = b/l₁, η₂ = b/l₂ (η_1,2>1); ρ₁ = 1+ l₂/l₁; ρ₂ = 1+ l₁/l₂.

В результате решения системы (4) определены плотности тепловых потоков (стоков), направленных из детали в инструмент, на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора:

Закономерности изменения тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора в зависимости от параметров процесса выглаживания - радиуса индентора r и усилия выглаживания Р представлены на рис. 2.

Рис. 3. Графики изменения плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора от радиуса индентора r –а) и усилия выглаживания Р- б)

Расчеты выполнялись для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь45 (σ_в = 750 Мпа); диаметр детали d = 200мм; скорость V = 3м/с.

С увеличением радиуса индентора тепловой поток на передней поверхности q₁ резко уменьшается, на задней q₂ – незначительно увеличивается, что объясняется улучшением теплоотвода в индентор при увеличении его размеров. С ростом усилия выглаживания тепловой поток на передней поверхности q₁ значительно возрастает, на задней q₂ –уменьшается. Это связано с увеличением общего количества теплоты, выделяемого при выглаживании.

На основании полученных аналитических выражений (6) и (7) могут быть рассчитаны тепловые потоки на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора для любых условий алмазного выглаживания.

При анализе температур в зоне обработки на операциях алмазного выглаживания необходимо, прежде всего, рассматривать деталь, так как именно к качеству ее поверхностного слоя предъявляются основные технологические требования.

Общее распределение температур в детали при выглаживании определяется суммой всех действующих в зоне обработки источников:

где Θ₁(x,y) - распределение температур, возникающее под действием источника теплоты q₀₁ в зоне пластической деформации на передней поверхности индентора; Θ₂(x,y) - под действием источника теплоты q₀₂ в зоне упругого восстановления на задней поверхности индентора; Θ₃(x,y) - под действием стока теплоты из детали в инструмент на передней поверхности индентора q₁; Θ₄(x,y) - под действием стока теплоты из детали в инструмент на задней поверхности индентора q₂.

При описании температурного поля в детали в соответствии с методом источников используются известное аналитическое выражение для полосового быстродвижущегося источника, в котором его ограниченность по ширине учитывается поправочным коэффициентом К_о (в области практически применяемых условий выглаживания принимается K_о = 0,87) [9]:

где ψ = x/l₁, ψ_u= x_u /l₁, ν = y/l₁, - безразмерные координаты; n_i = q_i /q₀₁- безразмерные величины, учитывающие различие тепловых потоков: n₁ = 1, n₂ = q₀₂/q₀₁, n₃ = q₁/q₀₁, n₄ = q₂/q₀₁; ∆ - верхний предел интеграла: ∆ = ψ при 0 ≤ ψ ≤ 1 и ∆ = 1 при ψ > 1; f(ψ_и) - закон распределения плотности теплового потока; P = K_оl₁q₁/2λ_д(πР_е)⁰⁵ - размерный коэффициент; P_e= Vl₁/ω - критерий Пекле.

Закономерности формирования температур на поверхности детали (y = 0) при выглаживании, возникающих под воздействием различных тепловых потоков, представлены на рис.4. Распределение температур под воздействием источников теплоты q₀₁ в зоне пластической деформации и источника теплоты q₀₂ в зоне упругого восстановления Θ₁₂(x,y) = Θ₁(x,y) + Θ₂(x,y), причем тепло от источника на задней поверхности индентора не распространяется на переднюю поверхность. Распределение температур под воздействием источников теплоты на передней q₁ и задней q₂ поверхностях индентора Θ₃₄(x,y) = Θ₃(x,y) + Θ₄(x,y), причем тепло от источника на задней поверхности индентора также не распространяется на переднюю поверхность.

Рис. 4. Графики распределения температур по поверхности детали при выглаживании

Графики суммарного распределения температур по поверхности детали представлены на рис.4. Температуры Θ₃₄(x,y) условно показаны в области отрицательных значений, так как тепловые потоки q₁ и q₂ направлены противоположно потокам q₀₁ и q₀₂. Следовательно, за счет стока теплоты в инструмент деталь охлаждается.

Представленные зависимости позволяют установить координаты точек на поверхности детали, имеющих максимальную температуру. Для нормального несимметричного, а также для равномерного законов распределения плотности теплового потока с функциями распределения f(ψ_u) = exp[-3(1 - ψ_u²)] и f(ψ_u) = 1 наибольшее значение безразмерной температуры достигается при безразмерных координатах ψ = 1 и ν = 0.

На рис. 5 представлены графики зависимости максимальной температуры поверхности детали Θ_Σmax от радиуса индентора при различных значениях усилия выглаживания: Р = 100Н (кривая 1), Р = 150Н (кривая 2) и Р = 200Н (кривая 3).

Рис.5. Графики зависимости максимальной температуры поверхности детали Θ_Σmax от радиуса индентора r

Как следует из графиков, при малых радиусах индентора и значительных усилиях выглаживания максимальная температура на поверхности детали весьма велика и может достигать 1000°С. При увеличении радиуса индентора и снижением усилия выглаживания максимальная температура достаточно быстро уменьшается, что объясняется улучшением условий теплоотвода в индентор и снижением общего количества выделяемого тепла.

Таким образом, разработана методика расчета тепловых потоков и температур в зоне обработки при алмазном выглаживании. Исследовано влияние на тепловые потоки и температуры параметров процесса выглаживания - радиуса индентора и усилия выглаживания, что позволяет управлять тепловым состоянием детали и снижать ее температуру.

Разработанная методика может быть широко использована для других видов отделочно-упрочняющей обработки ППД.

Планируемые практические результаты

1. Повышение эксплуатационных свойств на 20-30% при использовании алмазного выглаживания.

2. Разработка рекомендаций по выбору параметров обработки при алмазном выглаживании с учетом эксплуатационных свойств.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Литература

1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987, 328с., ил.

2. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М.: Машиностроение, 1969. –290с.

3. Ивченко Т.Г. Исследование закономерностей формирования тепловых потоков зоне резания при точении // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Вип.20. – Краматорськ: ДДМА, 2006.- С.88-94.

4. Ивченко Т.Г. Анализ закономерностей изменения температурного поля режущего инструмента в процессе его эксплуатации.[Электронный ресурс] - Режим доступа http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Ptsm/2009_37/084-089.pdf

5. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.1/ А. Г. Суслов, Э. Д. Браун, Н. А. Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 256с.

6. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.2 / А. Г. Суслов, Ю. В. Гуляев, А. М. Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 430с.

7. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами/ А.Г. Бойцов, В.Н. Машков, В.А. Смоленцев, Л.А. Хворостухин. – М.: Машиностроение, 1991. – 144с.: ил.

8. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300с., ил.

9. http://depositfiles.com/ru/files/rkuz1yxu6 - Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. –288с.

10. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник. Под ред. д-ра техн. наук проф. А.Н. Резникова. М., «Машиностроение», 1977. 391с. ил.

11. Ресурсосберегающие технологии механической обработки труднообрабатываемых материалов: Монография / Л.Н. Касимов; ООО «ДизайнПолиграфСервис» - Уфа, 2003, - 182с.

12. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М., «Машиностроение», 1978. 152с. ил.

13. Качество поверхности, обработанной алмазами. Шульман П.А., Созин Ю.И., Колесниченко Н.Ф., Вишневский А.С. Под общей редакцией Бакуль В.Н. «Техніка», 1972. 148 стр.

14. Одинцов Л.Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием.-М: Машиностроение,1981.-160 c.

15. http://masters.donntu.ru/2007/mech/petryaeva/diss/index.htm - Автореферат магистерской работы Петряевой И.А. на тему: «Повышение качества обработки деталей машин с использованием комбинированных методов обработки» - Донецк, ДонНТУ, 2007.

16. Отделочные операции в машиностроении: Справ./ П.А. Руденко, М.Н. Шуба, В.А. Огнивец и др.: Под общей редакцией проф. П.А. Руденко. – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Тэхника, 1990. – 150с.

17. Торбило В. М. Алмазное выглаживание. М., «Машиностроение», 1972. - 105 с.