автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование технологического процесса вибротермической обработки деталей из литейных сплавов алюминия

ГБ 0&

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На праззах рукописи УДК 621.787(063)

ЭРНАНИ ФЕРНАНДЕШ МАНУЭЛ (АНГОЛА)

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВИБРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.03.01 - процессы механической

» физикоугехняческой обработки станки и инструмент

Автореферат Диссертант «а соксканйе ученой степени кандидата тгэпвдаоюп наук

Киев • 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Восточноукраинском государственном университете.

Научные руководителя: доктор технических наук,профессор, академик Академии инженерных наук Украины ОЕРЛИНСКИЙ В.Б.

кандидат технических наук, доцент ВЛАСОВ В.А.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор, академик Академии инженерных наук Украина ГАЕРИШ А.П.

кандидат технических наук, доцент БЕЛЯЕВ C.B.

Ведущее предприятие : ПО "Донец" г.Луганск

Защита диссертация состоится "31 " ' октября 1994 г. в 15°° часов на заседании специализированного Совета K068.I4.I5 Киевского политехнического института по адресу: 252056, Киев-56, проспект Победы 37, корпус S 19, ауд.340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Автореферат разослан " 30 " сентября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент ' В.В.ГОМАНШО

ОБЩАЯ ХАРАКШгаСША РАБОТЫ

Актуальность.теш. Процессы Еибротермической обработки деталей из литейных сплавов алшиння отличаются высокой производительностью. Они особенно эффективны для обработки деталей небольших размеров сложной конфигурации. Процесс виброобработки в химически активном рабочем растворе определяется многочисленными факторами. Влияние технологических факторов .в их совокупности на процесс вибротермомеханиче-ской обработки изучено недостаточно. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования технологического процесса виброобработки и создание на их основа научно-обоснованных рекомендаций я методик расчета техпроцесса являются актуальными в научном и практическом отношениях.

Целью диссертационной работы явилась интенсификация процесса виброобработки алюминиевых сплавов путем создания научно-обоснованной технологии термомэханической обработки в химически активных растворах, сочетавшей все вида операций в едином замкнутом цикле.

Для достижения поставленной цели ставились я решались следувдие задачи: I) провести информационные исследования с выяснением сущности и технологических возможностей процесса виброобработки применительно к сплавам алюминия, обосновать объект, цель и задачи исследований;

2) разработать методику теоретических и экспериментальных исследований, укомплектовать оборудование для экспериментальных исследований;

3) определить закономерности движения деталей в процессе виброобработки и характеристики взаимодействия гранул наполнителя с обрабатываемыми деталями; 4) исследовать рабочий процесс виброобработки, его силовые и кинематические характеристики; 5) определить влияние химических свойств и температуры рабочего раствора на процесс виброобработки деталей из алюминиевых сплавов; 6) установить влияние технологических факторов на процесс виброобработки, разработать инженерную методику их расчета и рекомендации по выбору технологических режимов виброобработки.

Научная новизна. Исследовано движение деталей в рабочей среде. Оно проявляемся в трех принципиально-различных фордах: I) быстрого колебательного движения деталей, сопровождающегося ее соударениями с гранулами наполнителя; 2) медленного циркуляционного движения всего жидко-деформируемого объема рабочей среди; 3) медленного относительного перемещения деталей и гранул наполнителя.

Найдены вероятностные характеристики скоростей соударения деталей, с гранулами наполнителя, которые являются ыэрой кинематического режима Еийрообрабаткя. Установлены силовые характеристики процессов пластического деформирования и шисро резания поверхности детали. Определено влияние температура и химических свойств среды на процесс виброобработки литейных сплавов алюминия. Установлены оптимальные технологические факторы виброобработкч.

Практическая ценность. Разработана инженерная методика расчета основных параметров процесса виброобработки. Предложен ряд зависимостей пригодных для практических расчетов процесса. Даны конкретные рекомендации по обеспечении эффективного технологического процесса обработки деталей из литейных сплавов алишния и рекомендации по выбору технологического оборудования.

Защищаемые положения: I) метода и методики теоретических и экспериментальных исследований процесса шбротермяческой обработки} 2) результаты определения кинематических и силовых параметров коле*-баний контейнера* циркуляционного движения рабочей среда, вибрационного и медленного относительного движения деталей в рабочей среде; 3) сведения о работам процессе виброобработки еюапшхаеи шкр-резаниа, пластическое дефоршроваиие поверхности и химическое растворение материала детали в рабочем растворе;* 4) определение влияния технологических факторов на эффективность процесса виброобработки; 5) инженерная методика расчета параметров технологического процесса, рекомендации по выбору оборудования и организация техпроцесса.

Апробация работы. Результаты работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях и семинарах. В частшетя на Ш научно-технической конференции Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики (Киев, 1993, 1994 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в .5-ти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 182 стр. машинописного текста, 25 стр. рисунков. Список литературы включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНКЕ даСЕРГАЩЮНШЙ РАБОТЫ

Во введении дало обснование актуальности работы и ее общая характеристика.

fl первом раздела дан анализ состояния ¿опроса по теме. Рассмотрена сущность и технологические возможности процесса виброобработки, обоснована цель и задачи исследований.

Вибрационные метода обработки деталей дашо и успешно используются в машиностроении. Результаты исследований процесса виброобработки изложены в трудах Афтаназина И.С.» Бабичева A.ÏÏ., Берещен-ко A.A., Блюмитейна B.D., Блехмйна И.И., Банатова П.С., Бородина H.A., Бурвтейна И.Е., Власова В.А., Городинского A.B., Гинченко И.Г., Дьяченко В.И., КаргашОЕа Й.Н., Картышева Б.Н., Зенкина A.C., Колесника Н.В., Кулакова Ю.П. , Кудрявцева И.В., Повидайло В.А., Полито-ва Н.В., Мишнякова Н.Г., Ковалева В.В., Розенфельда И.Л., Струтин-ского В.Б., Тергана B.C., Устинова В.П., Честнова А.Д., Шаинского М.Е. и других.

Вибрационная обработка содержит в своей основа процесс взаимодействия детали с гранулами наполнителя различного вида. Процесс может сопровождаться ыикрорезанием, полированием или пластическим деформированием. поверкноети детали. При этом имеет место химическое взаимодействие материала детали с рабочим раствором.

Вибрационная обработка" осуществляется с использованием различного оборудования, содержащего в частности виброустановку с контейнером, в который загружается рабочая среда, состоящая из деталей, гранул наполнителя и химически активного рабочего раствора.

Анализ литературных источников показал, что сведения о вибро-обработив алюминия я его сплавов немногочисленны и носят, как правило, описательный характер. Сведений о влиянии химических свойств рабочего раствора и температуры на процесс виброобработки практичэ- . ски не имеется. Поэтому сделан вывод о том, что процесс виброобра- ■ ботки "деталей из литейных сплавов алюминия изучен недостаточно. В качестве объекта исследования был выбран технологический процесс вибротермической обработки деталей из литейного сплава алюминия АЛ-2. Направление исследований - создание научно-обоснованной технологии вибротермомеханической обработки в химически активном растворе , сочетающей все виды операций в едином замкнутом цикле.

Технологические возможности этого метода позволяют создать принципиально новую технологию и в конечном итоге значительно упростить

процесс и повысить его экономическую эффективность.

Во втором разделе изложена методика исследований. Использован комплексный теоретически-экспериментальный метод с применением численно-аналитического математического моделирования процесса. Общий план исследований включает расчет параметров движения деталей и соударения их с гранулами наполнителя« анализ рабочего процесса виброобработки, получение аналитических зависимостей, описывающих изменение профиля поверхности детали и создание инженерной методики расчета технологического процесса виброобработки.

Экспериментальные исследования были выполнены на лабораторной установке ЛМСИ-1003, которая оснащена дополнительным оборудованием, позволявшим измерять температуру и химический состав рабочей среды. Установка снабжена устройствами измерения параметров рабочей среды и насосной станцией для непрерывной подачи рабочего раствора. Рабочий объем контейнера 15 дм3, частота вибраций до 4? Гц.

Для экспериментальных исследований использовались контрольные образцы из сплава М-2. В качестве наполнителя применялись абразивные и неабразивные твердые и мягкие гранулы различного вида. Химический состав рабочего раствора изменялся в широких пределах.

Обработка результатов измерений проводилась статическими методами. При этом общая относительная погрешность экспериментальных измерений не превышала 2...556.

В третьем разделе определены закономерности вибрационного и циркуляционного движения рабочей среды. Рассмотрена динамическая колебательная система, включающая контейнер, заполненный рабочей средой, установленный на упругой подвеске (рис.1). Колебательная система представлена в виде одномассовой плоской модели с тремя степенями свобода. Составлены дифференциальные уравнения вынужденных колебаний контейнера. В обобщенном виде

где - обобщенная переменная (перемещения в направлениях осей координат АС и У или угол поперечно-угловых колебаний); £ -- собственная частота и параметр затухания; (¿Г - частота возмущающей силы; -к - время; сС , - коэффициенты, определяемые видом колебаний.

Получены решения дифференциальных уравнений для колебаний

соответствующих трем степеням свободы в координатах £С , У , ?

X-O^SÍll^é^); У-Ущ£>itl(ifiif„SÍIt(üH + %).

где амплитудные значения Лд , Ут , перемещений и начальные фазы , % , % колебаний определяются через массовые, жест-костные и диссипагивные параметры динамической системы.

Аналитические зависимости перемещений от времени дали возможность определить траектории, скорости и ускорения всех точек рабо-■ чей среды. Траектория центра масс близка к эллиптической, а проекции ускорений QLg , CL9 точки рабочей среда с координатами ,Уа описываются зависимостями

a^^fa^einlä cos>*(i¡íl+%}¡

Oy»созг(Ж+%).

Ускорения точек среда определяют поле инерционных сил на элементы рабочей среда (детали и гранулы наполнителя), которые возникают в процессе вибрационного движения контейнера. Под действием этих нагрузок детали и гранулы смешаются в рабочем растворе и соударяются между собой (рис.2). Скорость соударения зависит: от плотностей детали fí> , наполнителя Р и рабочего раствора Й ; от

I«// V^ * W г

объемов детали wg и гранулы Щ , а также от площадей их сечений Säe » £>ду > Se®» и от коэффициентов гидродинамических сопротивлений детали и гранулы для движений в направлении осей координат Саг , С&ц и » • Получено аналитическое выражение для расчета скорости соударения следующего вида

Я:Й>)Ча*с

L Сяэе&их L c„,S»5 c»£>«> J

циркуляционного движения рабочей среда. Рабочая среда перемещается как жидко-дефорыируемое тело. Это перемещение может трактоваться как медленное вращение всего объема рабочей среды. Получены зависимости для расчета эквивалентной скорости вращения и осредненной скорости движения деталей на поверхности рабочей среда. Определено относительное перемещение деталей и гранул наполнителя. Это перемещение определяется архимедовыми силами и силами сопротивления. Найдены траектории движения деталей и гранул. Определены условия,

у % ,сц

Рис Л. Схема установки для виброобработки Рис.2. Схема соударений деталей:I-контейнер; 2-рабочая- гранулы наполнителя//!/ с среда;3-вибратор; 4-центр масс контейнера

деталью /2/ в рабочей среде

ти

Vh

Рис.3. Схема пластического деформирования повехности детали /а/' и микрорезания /б/,имеющие место в процессе виброобработки:

1- абразивное зерно в грануле наполнителя;

2- деталь

при которых перемешивание деталей и гранул обеспечивает равномерную обработку всей поверхности детали.

В четвертом -разделе определены закономерности рабочего процесса виброобработки. Изменение качества поверхности детали происходит в результате мтсро резания или пластического деформирования поверхностного слоя (рис.3), а также его химического растворения.

Составлены и решены дифференциальные уравнения, описывающие взаимодействие детали и гранулы в процессе соударения. И результате получены зависимости глубины лунки и длины риски от параметров задачи:

4 =(тДУй) глт и4-9о (Па^г:

гдвЛЗд, Шн - масса гранул, осуществлявших пластическое деформирование и микрорезание; , Уд ~ нормальная и тангенциальная составляющие скорости соударения детали и гранулы; 1?а, - параметр шероховатости, твердость и предел прочности детали; ¿м/ - зернистость абразива наполнителя; , - постоянные; % - постоянная, учитывающая инерционность процесса микрорезания.

Процессы микррезания и деформирования поверхности определяются скоростями соударения деталей и гранул. Величины скоростей соударения во всем объеме рабочей среды подчиняются вероятностным закономерностям. Их оценка выполнена численными расчетами на ЭВМ. Установлено, что вероятность распределения Ф скоростей соударения V может быть описана кривой нор^а^ьно^о «¡.определения Гаусса.

где среднеквадратичное отклонение и математическое ожидание составляют

<3V « йГ /16,7; Ута *фт%ь

для исследуемого типоразмера контейнера.

Химическое растворение материала детали зависит от свойств рабочего раствора и температуры. На рис.4 представлены зависимости съема металла от кислотности рабочей среды и температуры. Наибольший съем металла имеет место при РН«8...12. При атом зависимость может бить аппроксимирована аналитическим ^эажением

где дН| РНо - эмпирические постоянные.

то

и ¡ш

Н гас

влНг

75

50

25

*

Г\

1 \ / у

1

12 РИ

А?

/У

Тк

го о бо гах'с

Рис.4. Зависимость сьеыа металла с ловехности детали от

кислотности рабочего раствора /а/ и.от.температуры /б/

а- г ¡Ь тп

/

1 2 ТТрс 0 5 /О МЪ^тм

Рис.5. Изменение параметра шеро- Рис.6. Влияние зернистиости

Ховатости поверхности де- абразива наполнителя

тали в процессе виброобра- на шероховатость об-

ботки. работанной поверхности

Термический режим виброобработки характеризуется наличием критической температуры Тк " 60...65°С, выше которого на обработанной поверхности возникает очаги коррозии.

В пятом разделе определено влияние технологических факторов на процесс виброобработки. Изменение параметра шероховатости поверхности детали 4 ¡}а происходит вследствие химического растворения и механического воздействия и может быть описано зависимостью

ло пнтм'1И„в Г ИМ1

.ЛГ и [Д,НВ I.

где Пн,171 н, - число, средняя масса и скорость удара гранул, контактирующих с обрабатываемой деталью; Н£>, - пара-

метр шероховатости, твердость и предел прочности материала детали;

- зернистость абразива наполнителя; , В

- постоянные.

Данная зависимость позволяет определить изменение параметра шероховатости во времени (рис.5). Для практических расчетов параметра шероховатости может быть рекомендована формула

которая соответствует экспериментальным данным (рис.5) с точностью до 52.

Влияние амплитуды колебаний Ут на параметр-шероховатости может быть описано зависимостью

им = ^Оо/(М4 * Нп).

К4г |<2 - постоянные.

Для расчета влияния зернистости абразива напечнителя на параметр шероховатости рекомендовано выражение

^W^W, где ¡^g-CQOSi

Расчет по этому выражению соответствует экспериментальным данным с точностью до при зернистости абразива более 12 мкм (рис.6).

Зависимость изменения параметра шероховатости от твердости материала детали в первом приближении может быть определена формулой

где HU'const.

Полученные в разделе простые функциональные зависимости позволяют выполнить практические расчеты параметра процесса виброобра- . ботки.

Раздел заканчивается рекомендациям по выбору оборудования и технологических режимов. Рекомендуются технические условия для операций очистки, шлифования, полирования и упрочнения. А частности, даны конкретные рекомендации по выбору наполнителя и состава рабочего раствора.

оснэшые вывода

1. Колебания деталей и гранул наполнителя в полости контейнера могут быть описаны аналитическими зависимостями в виде совокупности тригонометрических функций от фазового угла во задувавшей силы. В объеме рабочей среды действует нестационарное поле ускорений, зависящее от массовых, жесткостных и диссипативных свойств контейнера и рабочей среда. Максимальные ускорения имеюу место в окрестности дна контейнера, минимальные - у свободной поверхности среды. Отношение максимальных ускорений к тшимальным составляет 3...4. Ускорения у стенок контейнера достигают 0,8...0,9 максимальных.

2. В течение периода колебаний на рабочую среду действует кратковременная моменткая нагрузка, приводящая к медленному циркуляционному движению всей рабочей среды. Это движение может, трактоваться как медленное вращение жидко-деформируемого объема рабочей среды о постоянной угловой скоростью. Эта скорость, в частности пропорциональна частоте колебаний в степени 3/2 и является степенной функцией от размеров контейнера (показатель степени 6).

3. В процессе виброобработки происходит перемешивание деталей и гранул наполнителя вследствие действия архимедовых сил. Интенсивность перемешивания определяется разностью плотностей гранул и деталей, а также их размерами. Для обеспечения эффективного перемешивания несоответственно, равномерной обработки поверхности, раз меры деталей должны быть ограничены согласно рекомендуемым зависимостям.

4. В полости контейнера имеет место высокочастотное колебательное движение деталей и гранул, сопровождающееся их соударением. Скорости соударения являются случайными величинами. Вероятность распределения скоростей может быть описана кривой нормального распределения Гаусса, в которой математическое ожидание и среднеквадратичное откло-

нение линейно зависят от частоты возмущающей силы.

5. В процессе виброобработки тлеет место микрорезание и пластическое де|о^иросание поверхности детали. Глубина лунок или длина микрорисок мерой интенсивности прэцесса. Глубина лунок и длина рисок пропорциональна кинематической энергии гранул наполнителя в момент соударения их с поверхностью детали и определяются, в частности, твердостью и пределом прочности материала детали.

6. Эффективность виброобработки определяется физико-химическими условиями процесса. Оптимальными являются температура обработки 60... 65°С при обработке в щелочном растворе с pf/ « 8...12.

7. Изменение среднеарифметического отклонения профиля поверхности детали может быть описано дробно-линейными зависимостями, которые предложены для инженерной методики расчета технологического процесса виброобработки. Расчетные зависимости соответствуют экспериментальным данным с точностью Ъ.,.7%.

в. В качестве оборудования для вибрационной обработки деталей из литейных сплавов алюминия рекомендуется контейнер - образной формы, заполненный рабочей средой на 75...80% с объемным соотношением деталей и наполнителя от I до 4-х с химически активным рабочим раствором в объеме 10...30% рабочей среды. Рекомендуется непрерывная подача раствора в количестве 2,5...3,5 л/мин.

О СЮ ВШЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕН) В РАБОТАХ

1. Берещенко A.A., Мануэл Э.§., Власов A.B., Игнатенко О.Г. Виброхимическая обработка деталей из литьевого сплава АЛ-2 в щелочном растворе при различных температурах. - Информатика и технология, 1993, № 2, с. 14-18.

2. Струтинский В.В., Мануэл Э.5. Определение гидродинамических параметров среда при виброобработке деталей. Тез.докл. Ш конференции Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики. Киев, 1993 , с. 25-26.

3. Струтинский В.Б., Сурнин D.M., Ыануэл Э.Ф. Влияние и расчет технологических факторов в процессе виброобработки деталей из литейных сплавов алюминия: Информлисток, Луганский ВЦНГИ; №

Дуганск, 1994. - 3 с.