автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки



На правах рукописи

Тищенко Элина Эдуардовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2004 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Донском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Тамаркин М.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бойко Н.Й.

кандидат технических наук, доцент Сибирский В.В.

Ведущее предприятие:

ОАО «Роствертол»

Защита состоится 30 ноября в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.058.02 в Донском' государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344010. г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан « » октября 2004г.

Ученый секретарь

/¿7

диссертационного совета д.т.н., проф. Чукарин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Развитие машиностроения на современном этапе невозможно без постоянного повышения

производительности труда и улучшения качества выпускаемых изделий. Для решения этих задач разрабатываются и внедряются новые методы обработки. К ним относятся процессы обработки гибкой гранулированной средой. В последнее время они находят всё большее применение в различных отраслях промышленности на этапах финишной обработки, т.к. имеют широкие технологические возможности, что позволяет обрабатывать детали самой различной конфигурации и обеспечивать высокое качество продукции.

Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение долговечности изделий, качества их поверхности. Для этой цели в основном и используют отделочно-упрочняющую обработку поверхностным

пластическим деформированием. Центробежно-ротационная обработка в среде стальных шариков является одним из методов отделочно-упрочняющей обработки. Высокая

производительность и широкие технологические возможности этого метода обработки ставят его в ряд перспективных, однако его широкое применение в промышленности затруднено недостаточной проработкой ряда теоретических и практических вопросов.

Целью работы является повышение эффективности отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки (ОУ ЦРО) на основе разработки адекватных теоретических моделей формирования характеристик поверхностного слоя деталей с учетом угловой скорости вращения ротора, характеристик среды, объема загрузки рабочей камеры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретические исследования единичного взаимодействия шаров с поверхностью детали.

2. Разработка модели формирования шероховатости поверхности в зависимости от параметров обработки.

3. Теоретические и эксперемениша^^с^ледоиния

| МСИАШИММЫМ»!

■Э ( МММПНИ I

зависимости глубины упрочненного слоя и степени упрочнения от технологических параметров процесса.

4. Установление степени влияния объема загрузки рабочей камеры на производительность и качество обработки.

5. Определение времени обработки, необходимого для достижения заданной шероховатости поверхности.

6. Исследование влияния параметров и режимов обработки на образование остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей.

7. Исследование влияния параметров и режимов обработки на усталостную долговечность деталей.

8. Разработка методики прогнозирования результатов отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки.

9. Разработка методики оптимизации технологических процессов при решении различных технологических задач.

Автор защищает:

теоретико-вероятностную модель процесса формирования профиля шероховатости обработанной поверхности;

. - результаты исследования основных закономерностей формирования физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей;

- методику повышения эффективности обработки на основе оптимизации технологических параметров процесса.

Научная новизна. Предложена и экспериментально обоснована модель формирования профиля шероховатости обработанной поверхности, учитывающая основные технологические параметры процесса обработки и свойства материала детали. Раскрыты основные закономерности формирования физико-механических свойств поверхностного слоя детали при ЦРО. Предложены модели определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения, адекватность которых подтверждена экспериментально. Установлен характер формирования сжимающих остаточных напряжений и их влияние на повышение усталостной долговечности деталей.

Практическая ценность работы. Сформулированы технологические рекомендации по выбору оптимальных

режимов обработки для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя с учетом характеристик материала обрабатываемых деталей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-ой международной научно-технической конференции, г. Брянск, 2001 г., Всероссийской научно-технической конференции, Н. Новгород-Арзамас, 2001 г., международной научно-технической конференции Ростов-на-Дону, РГАСХМ, 2001, Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении «ПТ-2002»», Нижний Новгород-Арзамас, международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» «Шлифабразив-2001», «Шлифабразив-2002», «Шлифабразив-2003», «Шлифабразив-2004» Волгоград-Волжский, заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья - науке будущего ЗМНТК-2003», Ульяновск, международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства», Волгоград, 2003 г., 2004 г., 3-й Всероссийской научно-технической конференции (1-ой с международным участием) «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Тольятти, 2004 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано шестнадцать печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 98 наименований, изложена на 151 страницах, содержит 16 таблиц, 68 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, направленной на решение важной научно-технической задачи повышения эффективности отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки на основе разработки адекватных теоретических моделей формирования характеристик поверхностного слоя деталей с учетом угловой скорости вращения ротора, характеристик среды, объема

загрузки рабочей камеры.

Первая глава раскрывает сущность и технологические возможности ОУ ЦРО. Определено место ОУ ЦРО среди подобных методов обработки, описаны её основные преимущества.

Сущность метода центробежно-ротационной обработки состоит в том, что гранулированный наполнитель и обрабатываемые детали загружаются в рабочую камеру и приводятся во вращательное движение вокруг вертикальной оси таким образом, что вся масса загрузки приобретает форму тора. Тороидально-винтовой поток обеспечивается конструкцией рабочей камеры, состоящей из неподвижной цилиндрической вертикально расположенной обечайки 1 и примыкающего к ней вращающегося дна (ротора) 2, имеющего форму тарели (рис. 1). Для уменьшения износа внутренние поверхности дна и неподвижную часть рабочей камеры покрывают износостойким материалом (резина, полиуретан).

Рис. 1 Схема процесса центробежно-ротационной обработки

Глава содержит обзор работ в области ЦРО, представленный работами Трилисского В.О., Панчурина В.В., Давыдовой И.В., Кузаконя В.М., и сходных методов обработки - в гранулированных рабочих средах, к числу которых относятся работы Бабичева А.П., Тамаркина М.А., Копылова Ю.Р.,

Димова Ю.В., Петросова В.В., Устинова В.П., Чаава М.М., Юркевича В.Б. и поверхностным пластическим деформированием - работы Кудрявцева И.В, Смелянского В М., Папшева Д.Д., Дрозда М.С., Пшибыльского В.П. и других. Среди исследователей ЦРО особо выделены работы Трилисского В.О. В них основное внимание уделялось разработке конструкций рабочих камер станков для ЦРО, исследованию технологических возможностей метода.

Анализ работ вышеуказанных авторов показал, что существующие модели процесса обработки не позволяют определить параметры шероховатости обработанной поверхности. Недостаточно проработаны вопросы формирования других физико-механических параметров качества поверхностного слоя (глубины упрочненного слоя, степени упрочнения, остаточных напряжений) и их влияния на эксплуатационные свойства деталей машин. Не даны рекомендации по расчету и выбору эффективных технологических параметров.

На основании результатов анализа априорной информации сформулированы цель и задачи исследовании.

Вторая глава содержит теоретические исследования процесса ОУ ЦРО. Проведен подробный анализ формирования профиля шероховатости обработанной поверхности. Дан анализ единичного взаимодействия частицы обрабатывающей среды с поверхностью детали. Определена максимальная глубина внедрения шарика при единичном взаимодействии:

где рш - плотность материала шара; ^ - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности детали на площадь фактического контакта; с - коэффициент несущей способности контактной поверхности; <?( - предел текучести материала детали; - радиус шарика; - угол встречи шарика с поверхностью детали (для ЦРО 20-40°); у

(1)

эффективная скорость движущегося шарика, определяемая по зависимости:

(2)

где Я^ф - эффективный радиус ротора; со - угловая скорость вращения ротора; кзф - обобщенный коэффициент эффективной скорости.

Определены характеристики следа единичного взаимодействия. Установлено, что пятно контакта шарика с поверхностью обрабатываемой детали представляет собой эллипс, размеры полуосей которого:

Ь = у1я2-(Я-Ат.*)2 , /)-Лтах+Ь, (3)

где / - коэффициент трения шарика по поверхности детали.

Образование микрорельефа в процессе обработки происходит путем многократного наложения и пересечения единичных следов. В результате на поверхности детали образуется новый специфический для ЦРО микрорельеф, который характеризуется однородностью свойств по всем направлениям. Для расчета параметров профиля шероховатости обработанной поверхности использована методика, предложенная профессором А.В. Королевым для описания теоретико-вероятностного процесса формирования профиля шероховатости поверхности детали при абразивной обработке. По аналогии с его работами введен критерий образования профиля обрабатываемой поверхности - условная высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности После проведения некоторых преобразований его величина для ОУ ЦРО окажется равной

(4)

где - разновысотность единичных следов; - количество

ударов шариков в каждой точке квадрата упаковки; 1а)

единичная длина.

Используя соотношение между Нус и Яа, после

преобразований получено значение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости

При проведении теоретических исследований процесса отделочно-упрочняющей ЦРО важную роль играет учет как можно большего числа технологических факторов, влияющих на результаты обработки. Некоторые из них, такие как угловая скорость вращения ротора и размеры обрабатывающей среды, удалось учесть теоретически. К сожалению, не представляется возможным учесть теоретически такой важный технологический фактор, как объем загрузки рабочей камеры.

Объем загрузки рабочей камеры при отделочно-упрочняющей ЦРО оказывает существенное влияние на процесс образования тороидально-винтового потока. Варьируя объем загрузки рабочей камеры, не изменяя значения остальных параметров процесса, можно получить существенно разные значения установившейся шероховатости поверхности, глубины упрочненного слоя, степени упрочнения. Исходя из этого, возникает необходимость учесть объем загрузки рабочей камеры в виде эмпирического коэффициента к1, который определен при проведении экспериментальных исследований.

Определено время достижения заданной шероховатости при ОУ ЦрО по формуле:

(6)

где кн -шероховатости; ft установившаяся

коэффициент интенсивности изменения «i, Raí,. Ra уст- исходная, заданная и шероховатость поверхности

соответственно.

В работах Кудрявцева И. В. приведены зависимости для определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения от характеристик следа. При проведении собственных теоретических исследований формирования параметров качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей, на базе этих зависимостей получены формулы для определения глубины упрочненного слоя

К = 3*|(| \ctga - /) ■ Ат.х ^ + )

(7)

и гтрпрни ипппчнрнма

е =

^(• (с^а -/)>*„„]♦*]■ Т«7^ (Л - А.., У

(8)

где к - эмпирический коэффициент. Большой интерес представляет оценка влияния поверхностных остаточных напряжений при ОУ ЦРО на эксплуатационные характеристики деталей (усталостную-долговечность, усталостную прочность). При этом представляется возможным, согласно работ Хейвуда, определение изменения предельного . напряжения цикла по сечению, детали, в теле которой распределение остаточных напряжений известно из эксперимента.

Проанализированы специфические особенности в циклических изменениях пластических деформаций различных материалов: циклически упрочняющихся, циклически разупрочняющихся и циклически идеальных (стабильных). Получена зависимость для определения изменения величины предельного напряжения цикла по глубине для циклически стабильного материала

ак - предел прочности, Р и у - параметры, зависящие от материала деталей, сгг - величина остаточных напряжений; (У,р

- среднее напряжение цикла.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Для образцов использовались материалы, применяемые в вакуумном приборостроении (шаржирование деталей не допускается) - медно-никелевый сплав 47НД, никелево-кобальтовый сплав 29НК, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т - и молибден вакуумной очистки МЧВП (99.936%), общемашиностроительные материалы: стали 45 и ХВГ, а также алюминиевые сплавы АВТ и Д16, широко применяемые в авиастроении. Экспериментальные исследования проводились на станке для центробежно-ротационной обработки ЦРС-7. Для исследования параметров шероховатости поверхности образцов использовался профилометр 296 завода «Калибр». Образцы обрабатывались с различными режимами в стальных шариках разных размеров. Через каждые 2 минуты образцы промывались, сушились. Далее измерялось среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости их поверхности. Исследования микротвердости поверхностного слоя производились с помощью прибора ПМТ-3. Изготавливались продольно-поперечные микрошлифы. Определение остаточных напряжений осуществлялось на автоматизированном стенде контроля остаточных напряжений АСКОН-3-КАИ, в образцах, вырезаемых из деталей после обработки. Определение усталостной долговечности проводилось на образцах с концентратором напряжений из Д16 на установке УИ-30.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований центробежно-ротационной обработки деталей. В результате предварительных экспериментальных исследований установлены области значений режимов обработки и характеристик рабочих сред, при которых образуется устойчивый тороидально-винтовой поток и которые не приводят к резкому ухудшению шероховатости поверхности и быстрому образованию наклепа. Дальнейшие

экспериментальные исследования проводились уже в этих областях. При исследовании шероховатости поверхности при ОУ ЦРО построены графики зависимости текущего значения шероховатости поверхности от времени обработки, среднего арифметического отклонения . профиля установившейся шероховатости от размера среды, угловой скорости вращения ротора, предела текучести, некоторые из которых представлены на рис. 2-5. Проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований (рис. 6,7). Установлено, что расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20%. Определены значения коэффициентов, используемых в теоретических зависимостях.

О 1 2 3 4 5 е 7 I д 10 11 О, мм

Рис. 2 Зависимость установившейся шероховатости поверхности от диаметра шарика при угловой скорости вращения ротора ¿У = 10 Гц; объеме загрузки 2 дм3 для материалов электровакуумного приборостроения

Рис. 3 Зависимость установившейся шероховатости поверхности от объема загрузки рабочей камеры при угловой скорости вращения ротора <у = К) Гц; диаметре шарика 6.5 мм для сталей и алюминиевых сплавов.

Рис. 4 Зависимость установившейся шероховатости поверхности от угловой скорости вращения рабочей камеры при диаметре шарика 6 5 мм и объеме загрузки 2 дм3 для сталей и алюминиевых сплавов

Рис. 5. Зависимость установившейся шероховатое™ поверхности от предела текучести с, при диаметре шарика 6.5 мм, объеме загрузки 2 дм3 и

различных значениях угловой скорости вращения рабочей камеры (1 -(О = 6.67 Гц, 2 - и = 8.33 Гц, 3 - ы = 10 Гц) для материалов электровакуумного приборостроения.

гп г

чь

I» 12» I

0 74 0»

) 4 • « 7 • < 10 11 12 И 14 11 « 17 и Гц

Рис. 6 Зависимость установившейся шероховатости поверхности от угловой скорости вращения ротора при диаметре шарика 6.5 мм и объеме загрузки 2 дм3 для материала электровакуумного приборостроения 29НК;

--теоретическая зависимость, • - экспериментальные

значения

ч-

шм

20

I а

II 11 к

1 5

I 4

13 13

II 10 0« оа

1 2 } 4 9 д 7 I • 10 11 12 0. мц

Рис.7 Зависимость установившейся шероховатости поверхности от диаметра шарика при угловой скорости вращения ротора 10Гц и объеме загрузки 2 дм3 для алюминиевого сплава Д16.

--теоретическая зависимость, • - экспериментальные

значения.

Исследования микротвердости направлены на изучение характеристик деформационного состояния в зависимости от механических свойств материала и параметров обработки. Построены зависимости изменения микротвердости по глубине образца, глубины упрочненного слоя от угловой скорости вращения ротора и размера среды (рис.8,9), степени упрочнения от угловой скорости вращения ротора (рис. 10,11). Установлено, что степень упрочнения не зависит от размера шариков. 'Произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований глубины упрочненного слоя и степени упрочнения (рис. 12,13). Установлено, что расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20%.

«iJmm*

--.-1---i———.----I—--к----1-'—*

25 50 и too 125 160 179 200 225

Ркстояим« or крм кромим А ИИ

Рис. 8 Изменение микротвердости по глубине образца для стали 45: 1 -до обработки, 2 - после 5-ти минут обработки, 3 - после 10-ти минут обработки, 4 - после 15-ти минут обработки.

Km >10 200 1«0 110 »0 110 1М 110 110 1» 110 ICO

14 < • Т I • 10 11 « « 1« 1» И

Ш Гц

Рис. 9. Зависимость изменения глубины упрочненного слоя от угловой скорости вращения ротора для объема загрузки 2 дм3 и шариков диаметром 6.5 мм для стали 45.

--теоретическая зависимость, • - экспериментальные

значения.

мм

Я0< Ml

ш

яо 110' 1Ю 1<0-

IX-100 ю'

«О 40-

l334l«7ll10 1tlXDiW

Рис. 10. Зависимость изменения глубины упрочненного слоя от размера шарика для объема загрузки 2 дм3 и угловой скорости вращения ротора 10 Гц длястали45.

--теоретическая зависимость, • - экспериментальные

значения.

з « s » 7 i а ю it и и к is i»

СО Гц

Рис. 11. Зависимость изменения степени упрочнения от угловой скорости вращения ротора для объема загрузки 2 дм3 и шариков диаметром 6.5 мм для

Д16.

--теоретическая зависимость, • - экспериментальные

значения.

Проведены комплексные экспериментальные исследования остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных образцов из алюминиевого сплава АВТ. Некоторые результаты представлены на рис. 12.

Рис. 12. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое образцов после ОУ ЦРО (1 - в) = 10 Гц, й-5 мм, V, = 2 дм3, 2 - (о = 10 Гц,

£ = 8 мм, V, =2 дм', 3 - <у = 8.33 Гц, 0 = 5 мм, \\ =2 дм1, 4 ■ <а = 8.33

Гц, й = 8 мм, И, =2 дм3)

Установлено, что остаточные напряжения в поверхностном слое обработанных деталей являются сжимающими, их величина находится в пределах 100 - 130 МПа, что по данным ОАО "Роствертол" примерно соответствует величине остаточных напряжений после упрочняющей вибрационной обработки. Глубина залегания сжимающих остаточных напряжений находится в пределах 0.5 - 1 мм, что по тем же данным примерно в 1.5 раза больше, чем при упрочняющей вибрационной обработке.

Для полученных в результате экспериментальных исследований значений остаточных напряжений по зависимости (9), произведены расчеты предельных напряжений цикла по глубине, некоторые результаты которых представлены на рис. 13

Проведены экспериментальные исследования усталостной долговечности деталей при циклическом нагружении.

18

Установлено повышение усталостной долговечности в 1.5-1.6 раз.

«00 <т„МПа

400

200

о

"20° 0 01 02 03 04 0} Об 085

Рис. 13. Влияние остаточных напряжений после ОУ ЦРО на предельные напряжения цикла (й) = 10 Гц, 0 = 5 мм, У,-2 дм3).

Пятая глава содержит технологические рекомендации по повышению эффективности ОУ ЦРО. Разработана программа для расчета среднего арифметического отклонения шероховатости обработанной поверхности и степени упрочнения при различных режимах обработки. По результатам расчетов производится корректировка выбранных режимов.

Приведены рекомендации по выбору времени обработки при решении различных технологических задач. Предложена методика оптимизации технологических параметров процесса.

На основании результатов проведенных исследований произведено внедрение ОУ ЦРО на ОАО «Гранит». Предложена новая конструкция ротора для станка ЦРС-7, защищенная патентом №2004116983/17 от 07.07.2004 г. «Устройство для отделочно-упрочняющей обработки деталей».

Общие выводы и рекомендации,

1. Разработаны адекватные теоретические модели формирования характеристик поверхностного слоя, позволяющие повысить эффективность ОУ ЦРО на стадии проектирования ТП.

2. Разработана теоретико-вероятностная модель процесса формирования профиля шероховатости поверхности

при ОУ ЦРО, учитывающая влияние параметров обработки, характеристик рабочих сред и свойств материала детали.

3. Разработана теоретическая модель определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения в зависимости от характеристик процесса и свойств материала обрабатываемых деталей.

4. На основании результатов экспериментальных исследований установлена адекватность предложенных теоретических зависимостей.

5. Раскрыты основные закономерности формирования остаточных напряжений. В результате экспериментальных исследований установлено, что в поверхностном слое обработанных деталей формируются сжимающие остаточные напряжения, величина которых примерно соответствует результатам упрочняющей вибрационной обработки, а глубина залегания примерно в 1.5 раза больше.

6. Проведены экспериментальные исследования усталостной долговечности деталей при циклическом нагружении. Установлено повышение усталостной долговечности в 1.5-1.6 раз.

7. Разработана методика расчета повышения предельных напряжений цикла при циклическом нагружении детали по глубине поверхностного слоя после ЦРО.

8. Получены зависимости для прогнозирования параметров шероховатости обработанной поверхности и характеристик упрочнения поверхностного слоя детали.

9. Разработаны инженерные рекомендации по выбору и оптимизации основных технологических параметров обработки.

По содержанию диссертации опубликовано 16 печатных работ, основными из которых являются следующие:

1. Тамаркин М.А. и др. Технологические особенности процесса центробежно-ротационной обработки/ М.А. Тамаркин, Д.В. Виноградов, Э.Э. Тищенко и др.// Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив-2001. - Волжский, 2001.-С. 162-165.

2. Тищенко Э.Э. Расчет параметров шероховатости поверхности детали при отделочной центробежно-ротационной

обработке.// Вопросы вибрационной технологии: Межвуз. сб. науч. а. - Ростов н/Д, 2001. - С. 86-90.

3. Тамаркин М.А. и др. Расчет технологических параметров при ЦРО./М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко, Д.В. Виноградов // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Сб. ст. по материалам Всерос. науч.-техн. конф. Н. Новгород; Арзамас, 2002.-С..141-145.

4. Тамаркин М.А.и др. Расчет параметров качества поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработке./ М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко // Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства: Материалы междунар. конф. В 2-х ч. Ч. I./ ВолгГТУ. - Волгоград, 2003.- С. 158-161.

5. Тамаркин М.А. и др. Особенности моделирования процесса отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки деталей. / М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Сб. ст. междунар. науч.-техн. конф./ ВолгГАС. - Волжский, 2003.-С. 93-95.

6. Тищенко Э.Э. Математическое моделирование процесса отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки. Вестник ДГТУ.- 2004. Т4 , № 4(№21). - С. 318-321.

7. Тамаркин МАи др. Разработка методики проектирования технологических параметров отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки./ М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция (1-я с международным участием) «Современные тенденции развития автомобилестроения в России».- Тольятти, 2004. - С. 54-60.

8. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки деталей / Патент №2004116983/17 приоритет от 07.06.2004 / А.П. Бабичев, М.А. Тамаркин, И.В. Давыдова, Э.Э. Тищенко, П.Д Мотренко»

V

ЛР №04779 ОТ 18.05.01. В набор 25.09.04. В печать 30.09.04. Объем 1,4 усл.п.л., 1,2 уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №439 Тираж 120._

Издательский центр ДГТУ Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина, 1.

ъ

о-гзм

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Сущность и технологические возможности центробежно-ротационной обработки.

1.2 Обзор работ в области отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки.

1.3 Цель и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ.

2.1 Анализ процесса единичного взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью детали.

2.2 Определение фактической площади контакта при единичном взаимодействии.

2.3 Формирование профиля установившейся шероховатости.

2.3.1 Геометрическая схема образования профиля установившейся шероховатости.

2.3.2 Определение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости. (

2.3.3 Учет величины объема загрузки рабочей камеры."

2.3.4 Разработка методики расчета времени обработки.

2.3.5 Определение коэффициента интенсивности изменения шероховатости.

2.4 Формирование параметров качества поверхностного слоя детали.

2.4.1 Исследование величины глубины упрочненного слоя и степени упрочнения.

2.4.2 Исследование величины остаточных напряжений при ЦРО.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Технологическое оборудование.

3.2 Приборы и приспособления для экспериментальных исследований.

3.3 Выбор материалов образцов.

3.4 Методика определения микротвердости поверхностного слоя.

3.5 Методика определения шероховатости поверхности.

3.6 Методика исследований остаточных напряжений.

3.7 Методика исследований усталостной долговечности.

3.8 Исследование размеров единичных следов.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОТДЕЛОЧ1Ю-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ.

4.1 Исследование шероховатости поверхности.

4.2 Определение коэффициента кэф.

4.3 Определение коэффициента к,.

4.4 Определение коэффициента интенсивности изменения шероховатости

4.5 Исследование микротвердости поверхностного слоя. Определение глубины упрочненного слоя и степени упрочнения при ЦРО.

4.6 Исследование остаточных напряжении.

4.7 Исследование усталостной долговечности.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Разработка методики оптимизации.

5.2 Разработка элементов САПР ТП.

5.2.1 Общая структура САПР ТП.

5.2.2 Оптимизация технологических параметров отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки.

5.3 Внедрение результатов исследований в производство.

Важнейшей задачей современного машиностроения является повышение долговечности изделий, их эффективности и конкурентоспособности на мировом рынке. Одним из основных путей решения этой задачи является использование методов упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД). Отделочно-уирочняющая центробежно-ротационная обработка (ОУ ЦРО) в среде стальных шариков является одним из наиболее эффективных методов обработки поверхностным пластическим деформированием.

Данная работа посвящена разработке методики повышения эффективности отделочно-упрочняющей центробежно-ротационной обработки на основе построения адекватных теоретических моделей формирования поверхностного слоя детали и оптимизации технологических параметров процесса.

К настоящему времени в результате проведенных различными авторами исследований выявлены основные технологические возможности ЦРО, определены основные элементы конструктивных параметров станков. Вместе с тем, обширен круг нерешенных вопросов, которые сдерживают широкое внедрение процесса и производство. Отсутствуют теоретические модели формирования шероховатости поверхности при ЦРО, определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения, не разработана методика выбора и расчета технологических параметров при решении различных технологических задач, мало исследованы вопросы формирования остаточных напряжений и повышения эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей, недостаточно исследован вопрос о влиянии объема загрузки рабочей камеры станка, отсутствует методика прогнозирования физико-механических свойств поверхностного слоя деталей и шероховатости обработанной поверхности.

Решению вышеперечисленных вопросов посвящена эта работа.

В работе проведены теоретические исследования процесса ОУ ЦРО. Проведен анализ формирования профиля шероховатости обработанной поверхности. Дан анализ единичного взаимодействия частицы обрабатывающей среды с поверхностью детали. Определены характеристики следа взаимодействия. Получена зависимость для определения среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости поверхности, учитывающая режимы обработки и свойства материала обрабатываемой детали. Установлены закономерности формирования качества поверхностного слоя при ОУ ЦРО. Получены теоретические зависимости для определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения. Исследовано влияние поверхностных остаточных напряжений при ОУ ЦРО на эксплуатационные характеристики обработанных деталей.

Проведены экспериментальные исследования процесса ОУ ЦРО, направленные на изучение среднего арифметического отклонения профиля шероховатости поверхности, глубины упрочненного слоя, степени упрочнения, формирования остаточных напряжений, исследование усталостной долговечности обработанных деталей. По результатам экспериментальных исследований установлена адекватность полученных теоретических моделей.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика выбора и расчета оптимальных технологических параметров процесса и прогнозирования результатов обработки.

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Донского государственного технического университета.

1. Состояние вопроса н постановка задачи исследований

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны адекватные теоретические модели формирования характеристик поверхностного слоя, позволяющие повысить эффективность ОУ ЦРО на стадии проектирования ТП.

2. Разработана теоретико-вероятностная модель процесса формирования профиля шероховатости поверхности при ОУ ЦРО, учитывающая влияние параметров обработки, характеристик рабочих сред и свойств материала детали.

3. Разработана теоретическая модель определения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения в зависимости от характеристик процесса и свойств материала обрабатываемых деталей.

4. На основании результатов экспериментальных исследований установлена адекватность предложенных теоретических зависимостей.

5. Раскрыты основные закономерности формирования остаточных напряжений. В результате экспериментальных исследований установлено, что в поверхностном слое обработанных деталей формируются сжимающие остаточные напряжения, величина которых примерно соответствует результатам упрочняющей вибрационной обработки, а глубина залегания примерно в 1.5 раза больше.

6. Проведены экспериментальные исследования усталостной долговечности деталей при циклическом нагружении. Установлено повышение усталостной долговечности в 1.5-1.6 раз.

7. Разработана методика расчета повышения предельных напряжений цикла при циклическом нагружении детали по глубине поверхностного слоя после ЦРО.

8. Получены зависимости для прогнозирования параметров шероховатости обработанной поверхности и характеристик упрочнения поверхностного слоя детали.

9. Разработаны инженерные рекомендации по выбору и оптимизации основных технологических параметров обработки.

1. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей. М.: Машиностроение, 1974.- 134 с.

2. Бабичев А.П. Исследование технологических основ процессов обработки деталей в среде колеблющихся тел с использованием• низкочастотных вибраций: Дис. . д-ра техн. наук: 05.02.08. Ростовн/Д, 1975.-462 с.

3. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Ростов н/Д: Изд. Центр ДГТУ, 1998 624 с.

4. Бабичев А.П., Мишняков Н.Т. Теоретико вероятностная модель процесса виброобработки плоской детали в случае эллиптических пятен контакта / Прогрессивная отделочно-упрочняющая технология: Межвуз. сб. - Ростов н/Д, 1981. - С. 8 - 10.

5. Базовский И. Надежность. Теория и практика. М.: Мир, 1965. - 373с.

6. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. Киев: Наук, думка, 1978. - 270 с.

7. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. -232 с.

8. Борздыка A.M., Л.Б.Гецов Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М., Металлургия, 1978, 256 с.

9. Брандт 3. Статистические методы анализа данных. М.: Мир, 1975. -311с.• Ю.Бурштейн И.Е. и др. Объёмная вибрационная обработка /Бурштейн

10. И.Е. Балицкий В.В., Духовский А.Ф. М.: Машиностроение, 1981 — 52 с.

11. П.Вентцель Е.С. Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. - 480 с.

12. Вибрации в технике. Справ, в 6 т., Под ред. Ф.М.Диментберга, К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1980.

13. Виноградов В.Н., Бирюков В.И., Назаров С.И. Экспериментальные исследования реакции материала при ударе сферической частицы / Трение и износ. 1982-ТЗ, Л» 1 - с. 160- 164.

14. Н.Виноградов и др. Изнашивание при ударе / Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев Ю.А. М.: Машиностроение, 1982 - 192 с.

15. Виттенберг Ю.Г. Шероховатость и методы её оценки. Л.: Судостроение, 1971 108 с.

16. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972. - 368 с.

17. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей.-М.:Наука,1988.-448с.

18. Горохов В.А. Обработка деталей пластическим деформированием. К.: Техника, 1978.- 192с.

19. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов.-М. :Наука, 1976.-23 0с.

20. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986, 544 с.

21. Давыдова И.В. Совершенствование процесса и разработка методики расчета технологических параметров центробежно-ротационной обработки деталей. Дис. канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1994

22. Дель Г.Д. Технологическая механика. М., "Машиностроение", 1978 -174 с. с ил.

23. Дёмкин Н.Б. Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин.-М.: Машиностроение, 1981 -244 с.

24. Димов Ю.В. Управление качеством поверхностного слоя детали при обработки абразивными гранулами: Дис. . д-ра. техн. наук: 05.02.08. -Иркутск, 1987-543 с.

25. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965. - 172 с.

26. Дунин-Барковский И.В. Карташова Л.И. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности.- М.: Машиностроение, 1978. 232 с.

27. Качество машин: Справочник. Под ред. Суслова А.Г. и др. М.: Машиностроение, 1995 — т. 1 256 е., т. 2 - 430 с.

28. Кильчевский Н.А. Динамическое контактное сжатие твёрдых тел. Удар. Киев: Наук, думка, 1976 - 314 с.

29. ЗККомбалов B.C. Влияние шероховатости твёрдых тел на трение и износ. -М.: Наука, 1974-112 с.

30. Королёв А.В. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. — Саратов: Из-во Саратов, ун-та, 1975 191 с.

31. Королёв А.В., Новосёлов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1989 — Т. 1,2

32. Костецкий Б.Н., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. Киев: Техника, 1969 — 215 с.

33. Крагельский И.В. и др. Основы расчётов на трение и износ / Крагельский И.В., Добычин М.Х., Комбалов B.C. — М.: Машиностроение, 1977 526 с.

34. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. М.: машиностроение, 1980. - 157 с.

35. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении.-М., 1951

36. Кудрявцев И.В. и др. Повышение прочности и долговечности крупных деталей машин поверхностным наклепом. М. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1970,- 144с.

37. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом. В кн.: Повышение долговечности деталей машин методами поверхностного наклепа. Тр. ЦНИИТМАШ, вып. 108, 1965. С. 6-34.

38. Кузаконь В.М. Исследование центробежного метода обработки деталей свободными абразивами и определение оптимальных технологических режимов и параметров оборудования. Автореф. дис. канд. техн. наук. Одесса, 1977

39. Кулик В.К. Прогрессивные процессы обработки фасонных поверхностей. Киев: Техника., 1987 - 176 с.

40. Лукьянов B.C. Рудзит 51.А. Параметры шероховатости поверхности. -М.:Изд-во стандартов, 1979.-162с.

41. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов но твердости,- М.'Машиностроение, 1979.-191с.

42. Мартынов Л.М.Основы метода обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами.-Саратов:Изд-во Саратов, ун-та, 1981 .-212с.

43. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности машин. — Киев: Техника, 1971 — 144 с.

44. Матюхин Е.В. Исследование процесса виброударного упрочнения металлообрабатывающего инструмента: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.08. Москва, 1979-23 с.

45. Механические свойства материалов при сложном напряженном состоянии. Справочник иод ред. В.Т.Трощенко. К., Наукова Думка, 1983, 366 с.

46. Михин Н.М. Внешнее трение твёрдых тел. М.: Наука, 1977 — 222 с.

47. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций. М., Наука, 1981.- 344 с.

48. Непомнящий Е.А., Кремень З.И., Массарский M.JI. О закономерностях образования микрорельефа поверхностей при обработке потоком абразивных частиц / Изв. вузов. Машиностроение, 1984 J\l>2 - с. 117121.

49. Непомнящий Е.Ф. Трение и износ под воздействием струи твердых сферических частиц.// Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа.-М.:Наука,1971.-С.190-200.

50. Обработка деталей свободными абразивами в вибрирующих резервуарах / Карташов И.Н., Шаинский М.Е., Власов В.А., и др. -Киев: Вшца школа, 1975 188 с.

51. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник М.: Машиностроение, 1987-328 с.54.0лейник Н.В., Кычин В.П., Луговской A.JI. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин.-К.: Техника, 1984. 151с.

52. Отделочные операции в машиностроении. Справочник / под общ. ред. П.А. Руденко 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Техника, 1990 — 150 с.

53. Панчурин В.В. Упрочняющая обработка зубчатых колес транспортных машин центробежно-ротационным способом: Дис. .канд. техн.наук:05.02.08.-М.:МИИЖТ,1989.-243с.

54. Папшев Д.Д. Отделочно-уирочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. - 152 с.

55. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение, 1977 - 166 с.

56. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов. Справочник. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1994. - 496с.

57. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2 т. М.: JI.B.M. СКРИПТ, Машиностроение, 1995. - 832с, 688с.

58. Прокопец Г.А. Интенсификация процесса виброударной обработки на основе повышения эффективности виброударного воздействия и учета ударно-волновых процессов. Дис. . канд.техн.наук, Ростов н/Д, 1995. -220 л. с пл., РИСХМ

59. Прокопец Г.А., Мул А.П., Мишняков Н.Т. Теоретико-вероятностныйанализ формирования микрорельефа поверхности при ВиУО // Вопросы вибрационной технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д, 1993-с. 27-36.

60. Проников Л.С. Надёжность машин. М.: Машиностроение, 1978 - 592 с.

61. Пшебыльский В.П. Технология поверхностной пластической обработки. М.: Металлургия, 1991 - 476 с.

62. ГЬжина П. Основные вопросы вязкопластичности. М., Мир, 1968, 176 с.

63. Работнов IO.II. Механика деформируемого твердого тела. М., Наука, 1979, 744 с.

64. Рыковский Б.П., В.Л. Смирнов, Г.И. Щетинин Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. М.: Машиностроение, 1985

65. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. Теоретические основы и практика применения. М.: Машгиз, 1955. 312 с.

66. Савин Г.М., Тульчии В.И. Справочник по концентрации напряжений. Киев, Вища школа, 1976, 410 с.

67. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении / Р.А. Аллик, В.И. Бороднянский, А.Г. Бурин и др., под общ. ред. Р.А. Аллика. — J1.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986 319 с.

68. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002

69. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования. — М.: объединение «Машмир», 1992 — 60 с.

70. Смелянский В.М. Механика формирования поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования: Автореф. дис. . д-ра техн. наук: 05.02.08-М., 1986-46 с.

71. Сулима A.M. и др. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д.-М.: Машиностроение, 1988. 240с.

72. Сыроегина Н.А. Ударное вибронакатывание. В кн.: Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов. Тез. докл. Всесоюзн. науч. техн. конф. Брянск, 1986.

73. Такео Екобори Научные основы прочности и разрушения материалов. К., Наукова Думка, 1978, 352 с.

74. Тамаркин М.А. Исследование и разработка методических основ расчета оптимальных технологических параметров процесса вибрационной обработки: Дис. . канд.техн. наук: 05.02.08.-Ростов н/Д, 1982.- 166с.

75. Тамаркин М.А. Оптимизация технологических параметров процесса вибрационной обработки // Совершенствование процессов отделочно-упрочняющей обработки деталей: Межвуз. сб. Ростов н/Д, 1986 - с. 24-28.

76. Тамаркин М.А. Теоретические основы оптимизации процессов обработки деталей свободными абразивами. Дис. докт. техн. наук . Ростов-на-Дону, 1995 г.

77. Трилисский В.О. и др.Объемная центробежно-ротационная обработка деталей / НИИмаш, М., 1983. 53с.

78. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. 1981.

79. Устинов В.П. Исследование основных закономерностей процесса вибрационной отделочно-упрочняющей обработки деталей в металлических средах. Автореф. дис. канд. техн. наук. Ростов н/Д, 1970

80. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М: Наука, 1972. - 544 с.

81. Хрульков В.А. Отделочно-зачистная обработка деталей М.: Машиностроение, 1979 — 216 с.

82. Хусу А.П. и др. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход / Хусу А.П., Виттенберг Ю.Р., Пальмов В.А. -М.: Наука, 1975-343 с.

83. Чаава М.М. Оптимизация технологических параметров вибрационной отделочной обработки. Дис. . канд.техн.наук, Ростов н/Д, 1997. -152 ► л. с ил., ДГТУ

84. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным деформированием. Мн., Наука и техника, 1981. — 128 с.

85. Чепа П.А., Андрияшин В.А. Эксплуатационные свойства упрочненных деталей. Минск: Наука и техника, 1988. - 192с.

86. Школьник JI.M. Методика усталостных испытаний. Справочник. М., «Металлургия», 1978. 304 с.

87. Щерба JI.M. Проектирование технологических процессов виброудариой отделочной обработки шарико-стержневым упрочнителем с учетом снижения шума в рабочей зоне. Дис. . канд.техн.наук, Ростов н/Д, 2003. -172 с.

88. Ящерицын П.И., Мартынов А.Н. Чистовая обработка деталей в машиностроении. — Минск: Вышейш. шк., 1983- 191 с.

89. Boutreaux Т. et al. Propagation of a pressure step in a granular material: The role of wall friction. Phys.Rev.E-1997.-5 5, No.5b, p. 57-59.

90. Jaeger, M., Nagel, S.R., Behringer, R.P. Granular solids, liquids, and gases. Rev.Mod. Phys., 68, p. 1259-1273.

91. Yokomithi I. et al. Impact Damper with Granular Materials for Multibody System. Trans. ASME, J. Pressure Wessel Technol. 1996, 11, pp. 160-166

92. Heywood R.B. Designing against fatigue.- London: Chapman and Hall Ltd., 1962.-504 p.

93. Патент на полезную модель «Устройство для отделочно-упрочняющей обработки деталей» №2004116983/17 приоритет 07.07.2004 г.1. ТЕХНИЧЕСКИМ АКТ ВНЕДРЕНИЯ

94. Ожидаемый экономический эффект 50 тыс. рублей.1. От ДГТУот ОАО «Гранит»1. Тамаркин М.А.1. Вайнтрауб Э.Ш.1. Тищенко Э.Э.