Русский      English

Шелкунова Дар'я Миколаївна

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Спеціальність: технологія машинобудування

Науковий керівник: Івченко Тетяна Георгіївна

Тема випускної роботи:

Технологічне забеспечення експлуатаційних свойств деталей машин за допомогою методів поверхнево-пластичного деформування

Реферат з теми випускної роботи

Актуальність роботи

Розвиток сучасної техніки пред'являє все більш високі вимоги до якості деталей машин: точності розмірів і форми, фізико-механічним властивостями і рельєфу поверхні; до їх експлуатаційним характеристиками: зносостійкості, втомної міцності, корозійної стійкості, герметичності і т.п. Надійність машин в значній мірі визначається станом і несучою спроможністю поверхневого шару їх деталей, параметри якого, як правило, формуються на фінішних операціях виготовлення і визначаються технологією виробництва.

Одним з найбільш перспективних методів підвищення якості обробленої поверхні деталей машин при механообробці є обробно-зміцнююча обробка поверхнево-пластичним деформуванням (ППД). У зв'язку з цим досить актуальні дослідження алмазного вигладжування, що отримали досить велике поширення.

Цей спосіб обробки забезпечує сприятливе з позиції експлуатаційних властивостей поєднання параметрів шорсткості, мікрорельєфу поверхневого шару, мікротвердості, величини і характеру розподілу технологічних залишкових напружень при виготовленні широкого кола відповідальних деталей, таких як штоки, труби, вали, осі і інші, що виготовляються, як правило, з високоміцних сталей і працюють в умовах високих швидкостей, підвищеного зносу і циклічних знакозмінних навантажень.

Цілі і завдання роботи

Метою роботи є підвищення продуктивності механічної обробки і якості поверхневого шару деталей машин на основі застосування одного з прогресивних методів ППД - алмазного вигладжування.

Для досягнення мети в роботі поставлені наступні завдання:

1. Обгрунтувати доцільність використання алмазного вигладжування як остаточного методу механічної обробки при обробці груп деталей тіл обертання.

2. Дослідити тепловий стан деталі при алмазному вигладжуванні

3. Дослідити закономірності формування параметрів стану поверхневого шару (шорсткість, ступінь зміцнення, залишкові напруги) при алмазному вигладжуванні.

4. Дослідити взаємозв'язок параметрів стану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин (зносостійкість, міцність, герметичність).

5. Розробка технологічного процесу обробки деталі «труба» із застосуванням алмазного вигладжування.

6. Розробити рекомендації щодо вибору параметрів обробки при алмазному вигладжуванні.

Наукова новизна

1. Визначення температури в поверхневому шарі деталі при алмазному вигладжуванні.

2. Розробка математичної моделі визначення параметрів стану поверхневого шару (шорсткість, ступінь зміцнення, залишкові напруги) при алмазному вигладжуванні.

3. Розробка методики розрахунку параметрів експлуатаційних властивостей: зносостійкості, міцності та герметичності при алмазному вигладжуванні.

Огляд існуючих досліджень

Під час виконання аналізу робіт з теми, можна сказати, що багато вчених займалися питаннями поверхнево-пластичного деформування. Наприклад, у підручнику Одинцова Л.Г. [1] «Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием» наведено основні дані про методи ППД, застосовуваних інструментах, оснащенні і обладнанні, про експлуатаційні властивості деталей, оброблених ППД. Дано практичні рекомендації з ефективного використання різних методів на основі аналізу особливостей, переваг та недоліків кожного методу, а також рекомендації щодо вибору оптимальних параметрів обробки. У підручнику О. Г. Бойцова [7] «Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами» викладено питання теорії і практики комбінованого зміцнення поверхонь деталей з різних матеріалів. Розглянуто особливості формування зміцненого шару при поєднанні різних за природою видів зміцнюючого впливу.

Тепловими питаннями займався О.М. Резніков [9]. У своему підручнику «Теплові процеси в технологічних системах» він виклав методи розрахунку і експериментального вивчення теплових процесів в технологічних системах. Описав способи інтенсифікації механічної обробки, засновані на управлінні тепловими процесами.

Окремо питаннями алмазного вигладжування займалися Папшев Д.Д. [12], В. М. Смілянський [8], О.М. Резніков [10]. У їх підручниках розглянуті основні закономірності процесів і фізичні явища, що відбуваються при цьому. Наведено дані про вплив вигладжування на експлуатаційні властивості деталей машин та інструментів, наводяться результати експериментального і теоретичного досліджень напружено-деформованого осередку деформації, накопиченої деформації, ступеня деформаційного зміцнення, вичерпання запасу пластичності металу та залишкових напружень. Також викладено основні дані про різні види абразивного і алмазного інструменту, його конструкції й особливості експлуатації, а також про різні методи абразивної і алмазної обробки. Наведено практичні рекомендації з ефективного використання шліфувальних кіл із зернами з абразивів, алмазів та інших сучасних надтвердих матеріалів.

Основна частина

Сутність алмазного вигладжування полягає в пластичній деформації оброблюваної поверхні ковзаючим по ній інструментом - вигладжувателем. Інструмент розсовує метал, утворюючи канавку на поверхні. (Рис.1).

Рис. 1 Схема алмазного вигладжування

(Анімація: кількість кадрів - 10, кількість циклів - 10, розмір - 137 кБ)

При цьому створюються три види очагів деформування в залежності від співвідношення глибин впровадження інструменту та вихідних параметрів шорсткості.

У формуванні поверхневого шару деталей найважливішу роль відіграють теплові явища в зоні обробки ППД, так як процес пластичного деформування супроводжується інтенсивним тепловиділенням і підвищенням температури контактних поверхонь інструменту і деталі. В даний час методи досліджень теплового стану зони обробки досить добре розроблені. Однак, існуюча методика визначення теплових потоків на першому етапі теплофізичного аналізу [1, 9], вельми скрутна для практичного застосування. Наявні відомості про закономірності формування теплових потоків в зоні різання поширюються в основному на лезову обробку [3], інформація про методи обробки ППД практично відсутня.

Задача визначення температурних полів в деталі і інструменті цілком успішно вирішується з використанням методу джерел теплоти [2, 9, 4], який характеризується достатньою простотою і наочністю в порівнянні з іншими аналітичними і чисельними методами. При алмазного вигладжуванні основну увагу необхідно приділяти дослідженню теплового стану деталі, так як саме якість її поверхневого шару, що залежить від температури, повинна бути забезпечена на операціях остаточної обробки ППД.

Мета роботи - аналіз закономірностей формування та шляхів управління тепловими потоками і температурами в зоні обробки при алмазному вигладжуванні.

Основним джерелом теплоти, що виділяється в процесі алмазного вигладжування, є робота сил пружнопластичного деформування матеріалу оброблюваної деталі.

Рис. 2 Схематизація процесу алмазного вигладжування

У процесі алмазного вигладжування деталі радіусу R, що обертається зі швидкістю V (рис.1.), алмазний індентор, що має форму сфери радіусом r, пластично деформує матеріал на глибину h. Величина Δ представляє собою пружне відновлення матеріалу деталі після проходу інструменту. Вся довжина контакту між інструментом і деталлю АВС ділиться на дві ділянки, званих за аналогією з різальним інструментом передній поверхнею АВ (обумовленої кутами φ, γ і ε1) і задньої АС (обумовленої кутами α і ε2).

Проекція контактної площадки між сферичної робочою частиною інструмента і циліндричною поверхнею деталі при статичному вдавлюванні має форму еліпса. Внаслідок руху індентора і деформації матеріалу деталі форма поверхні контакту відрізняється від еліпса, однак з достатньою точністю контактну поверхню можна замінити прямокутником шириною b (у напрямку руху подачі індентора S) і довжиною l = (l₁ + l₂), де l₁ - довжина контакту по передній поверхні (дуга АВ), l₂ - по задній (дуга АС).

Кути контакту ε1 і ε2 визначаються умовами пружнопластичного деформування поверхневого шару. Так для загартованих сталей при згладжуючому режимі обробки ε1 = 6 - 7° для м'яких матеріалів - ε1 = 2 - 3° [2].

Внаслідок малості кутів ε1 і ε2 дуги АВ і АС можуть бути замінені відповідними хордами. Знаючи кути контакту ε1 і ε2, а так само беручи ε1 = 0,5 ε2, для розрахунку розмірів площадки можна використовувати формули:

Сили, що діють на контактних площадках bxl₁ і bxl₂ на передній і задній поверхнях індентора, визначаються наступним чином:

де Р_Т - тангенціальна сила, що діє в напрямку швидкості головного руху, що визначається залежно від радіальної сили вигладжування Р.

При схематизації компонентів досліджуваної системи деталь розглядається як півпростір, інструмент - як напівобмежений стрижень, що має конфігурацію зони контакту інструмента і деталі.

Джерела теплоти при алмазному вигладжуванні розглядаються як плоскі прямокутні, стаціонарні, так як процес теплообміну при вигладжуванні досить швидко встановлюється. Джерела теплоти є нерухомими для інструменту і швидкого руху для деталі.

У зоні обробки виникають два основних джерела теплоти: q_1Т - у зоні пластичної деформації на передній поверхні АВ і q_2Т - у зоні пружного відновлення на задній поверхні ВС (максимальні інтенсивності джерел q₀₁ і q₀₂). Приймається, що закони розподілу інтенсивності джерел несиметрично нормальні:

Теплота кожного з джерел передається деталі й індентору. Щільності теплових потоків (стоків), направлених з деталі в інструмент, на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора приймаються рівномірно розподіленими.

Щільності рівномірно розподілених по площадках bxl₁ і bxl₂ теплових потоків на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора, визначаються із системи рівнянь [2]:

де λ_д, λ_и, ω_д, ω_и - коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності матеріалів деталі та інструменту відповідно; M₁, M₂, N₁, N₂ - безрозмірні функції, що визначають нагрів площадок на передній і задній поверхнях інструменту; К_о - коефіцієнт, що враховує обмеженість джерела по ширині b , К_о = 0,87; К_с - коефіцієнт форми для двовимірного швидкого руху джерела з несиметрично нормальним розподілом, що враховує відміну від джерела з рівномірним розподілом, К_с = 0,55; коефіцієнт β = l₂/ l₁; коефіцієнти χ₁ = 0,6, χ₂ 0,75 [2].

Безрозмірні функції, що визначають нагрів контактних майданчиків:

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

У результаті рішення системи (4) визначено щільності теплових потоків (стоків), направлених з деталі в інструмент, на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора:

Закономірності зміни теплових потоків на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора в залежності від параметрів процесу вигладжування - радіуса індентора r і зусилля вигладжування Р представлені на рис. 2.

Рис. 3. Графіки зміни щільності теплових потоків на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора від радіуса індентора r-а) і зусилля вигладжування Р-б)

Розрахунки виконувалися для наступних умов: оброблюваний матеріал - сталь45 (σ_в = 750 МПа); діаметр деталі d = 200мм; швидкість V = 3м / с.

Із збільшенням радіусу індентора тепловий потік на передній поверхні q₁ різко зменшується, на задній q₂ - незначно збільшується, що пояснюється поліпшенням тепловідведення в індентор при збільшенні його розмірів. Зі зростанням зусилля вигладжування тепловий потік на передній поверхні q₁ значно зростає, на задній q₂-зменшується. Це пов'язано зі збільшенням загальної кількості теплоти, що виділяється при вигладжуванні.

На підставі отриманих аналітичних виразів (6) і (7) можуть бути розраховані теплові потоки на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора для будь-яких умов алмазного вигладжування.

При аналізі температур в зоні обробки на операціях алмазного вигладжування необхідно, перш за все, розглядати деталь, так як саме до якості її поверхневого шару пред'являються основні технологічні вимоги.

Загальний розподіл температур в деталі при вигладжуванні визначається сумою всіх діючих в зоні обробки джерел:

де Θ₁(x,y) - розподіл температур, що виникає під дією джерела теплоти q₀₁ в зоні пластичної деформації на передній поверхні індентора; Θ₂(x,y) - під впливом джерела теплоти q₀₂ в зоні пружного відновлення на задній поверхні індентора; Θ₃(x,y) - під дією стоку теплоти з деталі на інструмент на передній поверхні індентора q₁; Θ₄(x,y) - під дією стоку теплоти з деталі на інструмент на задній поверхні індентора q₂

Під час опису температурного поля в деталі у відповідності з методом джерел використовують відомий аналітичний вираз для смугового швидкорухомого джерела, в якому його обмеженість по ширині враховується поправочним коефіцієнтом К_о (в області практично застосовуваних умов вигладжування приймається K_о = 0,87) [9]:

де ψ = x/l₁, ψ_u= x_u /l₁, ν = y/l₁, - безрозмірні координати; n_i = q_i /q₀₁- безрозмірні величини, що враховують різницю теплових потоків: n₁ = 1, n₂ = q₀₂/q₀₁, n₃ = q₁/q₀₁, n₄ = q₂/q₀₁; ∆ - верхня межа інтеграла: ∆ = ψ при 0 ≤ ψ ≤ 1 и ∆ = 1 при ψ > 1; f(ψ_и) - закон розподілу щільності теплового потоку; P = K_оl₁q₁/2λ_д(πР_е)⁰⁵ - розмірний коефіцієнт; P_e= Vl₁/ω - критерій Пекле.

Закономірності формування температур на поверхні деталі (y = 0) при вигладжуванні, що виникають під впливом різних теплових потоків, представлені на рис.3. Розподіл температур під впливом джерел теплоти q₀₁ в зоні пластичної деформації і джерела теплоти q₀₂ в зоні пружного відновлення Θ₁₂(x,y) = Θ₁(x,y) + Θ₂(x,y), причому тепло від джерела на задній поверхні індентора не поширюється на передню поверхню. Розподіл температур під впливом джерел теплоти на передній q₁ і задній q₂ поверхнях індентора Θ₃₄(x,y) = Θ₃(x,y) + Θ₄(x,y), причому тепло від джерела на задній поверхні індентора також не поширюється на передню поверхню.

Рис. 4. Графіки розподілу температур по поверхні деталі при вигладжуванні

Графіки сумарного розподілу температур по поверхні деталі представлені на рис.4. Температури Θ₃₄(x,y) умовно показані в області негативних значень, так як теплові потоки q₁ і q₂ спрямовані протилежно потокам q₀₁ і q₀₂. Отже, за рахунок стоку теплоти в інструмент деталь охолоджується.

Представлені залежності дозволяють встановити координати точок на поверхні деталі, що мають максимальну температуру. Для нормального несиметричного, а також для рівномірного законів розподілу щільності теплового потоку з функціями розподілу f(ψ_u) = exp[-3(1 - ψ_u²)] і f(ψ_u) = 1 найбільше значення безрозмірної температури досягається при безрозмірних координатах ψ = 1 и ν = 0.

На рис. 5 представлені графіки залежності максимальної температури поверхні деталі Θ_Σmax від радіуса індентора при різних значеннях зусилля вигладжування: Р = 100Н (крива 1), Р = 150Н (крива 2) та Р = 200Н (крива 3).

Рис.5. Графіки залежності максимальної температури поверхні деталі Θ_Σmax від радіуса індентора r

Як випливає з графіків, при малих радіусах індентора і значних зусиллях вигладжування максимальна температура на поверхні деталі вельми велика і може досягати 1000°С. При збільшенні радіуса індентора і зниженням зусилля вигладжування максимальна температура досить швидко зменшується, що пояснюється поліпшенням умов тепловідводу в індентор і зниженням загальної кількості тепла, що виділяється.

Таким чином, розроблена методика розрахунку теплових потоків і температур в зоні обробки при алмазному вигладжування. Досліджено вплив на теплові потоки і температури параметрів процесу вигладжування - радіуса індентора і зусилля вигладжування, що дозволяє управляти тепловим станом деталі та знижувати її температуру.

Розроблена методика може бути широко використана для інших видів обробно-зміцнюючої обробки ППД.

Плановані практичні результати

1. Підвищення експлуатаційних властивостей на 20-30% при використанні алмазного вигладжування.

2. Розробити рекомендації щодо вибору параметрів обробки при алмазному вигладжування з урахуванням експлуатаційних властивостей.

Під час написання данного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2010 р. Повний текст роботи і матеріали за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

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.