автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Проектирование технологии отделочно-упрочняющей центробежной обработки на основе имитационного моделирования

На правах рукописи

ГУРИН Павел Александрович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

005061352 13 !"СН 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

005061352

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зверовщиков Владимир Зиновьевич

Официальные оппоненты: Сейнов Сергей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры «Транспортные машины»;

Голубовский Виталий Вадимович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия», доцент кафедры «Технология общего и роботизированного производства»

Ведущая организация - ФГУП ФНПЦ

«ПО "СТАРТ" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области)

Защита диссертации состоится 28 июня 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 25 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие технологии механической обработки деталей машин характеризуется возрастанием требований к качеству поверхностей после финишных операций. К наиболее экономичным и доступным в реализации методам финишной обработки относится поверхностно-пластическое деформирование (ППД), которое обеспечивает достижение таких основных показателей качества, как глубина упрочнения и шероховатость поверхности.

Перспективным способом ППД поверхностей деталей сложной конфигурации, наряду с галтовочной, вибрационной и центробежно-ротационной обработкой, является центробежно-планетарная обработка (ЦПО), которая основана на использовании центробежных сил, возникающих при планетарном вращении контейнеров с рабочей загрузкой. Гранулированная рабочая среда, преимущественно в виде стальных полированных шаров, является универсальным инструментом для воздействия на сложные поверхности широкой номенклатуры обрабатываемых изделий.

Известные модели ЦПО не учитывают сопротивление жидкости при движении рабочих тел и инерционные силы от переносного вращения водила, что затрудняет управление показателями качества поверхности при ППД, приводит к неоправданному увеличению длительности обработки.

Для обеспечения показателей качества поверхности при технологической подготовке производства необходимо математически описать взаимодействие рабочих тел с поверхностями деталей в жидкостной среде при ЦПО, разработать программное обеспечение и имитационные модели, позволяющие посредством управляющей программы спроектировать технологическую операцию упрочняющей обработки.

Имитационное моделирование позволяет оптимизировать режимы ЦПО, необходимые для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя деталей из различных материалов.

Поэтому определение эффективных технологических режимов отде-лочно-упрочняющей ЦПО на основе имитационного моделирования является актуальной задачей для повышения качества поверхностей деталей и сокращения сроков проектирования операции.

Объект исследования - технологическая операция отделочно-упроч-няющей обработки в контейнерах с планетарным вращением.

Предмет исследования - взаимосвязи технологических режимов ЦПО с показателями качества поверхностного слоя и система проектирования операционной технологии.

Цель работы - достижение заданных показателей качества поверхности при центробежно-планетарной обработке путем разработки и применения системы технологического проектирования, основанной на имитационном моделировании контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1) создать математическую модель движения рабочей загрузки при планетарном вращении контейнера с учетом сопротивления технологической жидкости;

2) разработать конечно-элементную модель контактного деформационного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей;

3) создать методику и программный модуль имитационного моделирования ЦПО для обеспечения показателей качества при оптимизации технологических режимов;

4) выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов ЦПО на показатели качества поверхностного слоя для оценки адекватности результатов имитационного моделирования;

5) разработать систему проектирования технологической операции отделочно-упрочняющей обработки на основе имитационного моделирования процесса;

6) на основе разработанной системы проектирования дать рекомендации по назначению рациональных режимов обработки и внедрить результаты исследований в производство.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теориях вероятностей и математической статистики, трения и износа и имитационного моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования эксперимента в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры и поверенных приборов. Моделирование, обработка и анализ результатов исследований проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS LS-DYNA, Excel, Delphi, Delcam, а также разработанных оригинальных программных продуктов.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются применением классических законов механики, научно обоснованными допущениями и граничными условиями при математической постановке задач контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей, подтверждаются сходимостью экспериментальных данных с результатами теоретических исследований и моделирования процесса обработки методом конечных элементов, а также практической реализацией технологии ЦПО в производственных условиях.

Научная новизна:

1) разработана система проектирования операционной технологии на основе имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей, направленная на рациональное достижение заданных показателей качества поверхностного слоя;

2) создана математическая модель движения загрузки в контейнерах с планетарным вращением, учитывающая сопротивление технологической жидкости; установлено, что оно оказывает существенное влияние на скорости взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей при варьировании режимов обработки в эффективном для упрочнения металла диапазоне;

3) установлены связи контактного деформационного взаимодействия рабочих тел в виде стальных шаров и деталей с глубиной упрочнения и шероховатостью обработанной поверхности, на основе которых определяются рациональные режимы и длительность цикла ЦПО.

Практическая ценность работы:

1) предложена методика и разработано технологическое оснащение для определения прочностных характеристик тонких поверхностных слоев металла, необходимых для моделирования контактного деформационного взаимодействия;

2) разработаны рекомендации для назначения режимов обработки, обеспечивающих стабильное достижение необходимых показателей качества поверхностного слоя;

3) разработана и внедрена система рационального автоматизированного проектирования операционной технологии ЦПО на основе имитационного моделирования процесса, которая позволяет назначать рациональные режимы и оптимизировать длительность цикла ППД деталей из различных материалов.

На защиту выносятся:

1) система проектирования отделочно-упрочняющей ЦПО для оптимизации технологических режимов, обеспечивающих заданные показатели качества поверхностей деталей;

2) математические модели движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением с учетом сопротивления технологической жидкости для определения динамических характеристик шаров и обрабатываемых деталей при варьировании режимов обработки;

3) методика имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей для определения показателей качества поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке;

4) математическая модель формирования шероховатости поверхности после деформационного воздействия стальными шарами, учитывающая физико-механические свойства материала обрабатываемых деталей и технологические параметры ЦПО;

5) результаты экспериментальных исследований качества поверхностного слоя обработанных деталей.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области) и ООО «Ладья» (г. Пенза). Достигнуты стабильное увеличение глубины упрочненного слоя и снижение шероховатости поверхности на труднодоступных участках деталей при повышении производительности обработки. Годовой экономический эффект составил 325 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008), III и IV Международных научно-практических конференциях «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2009, 2010), Международных научно-практических конференциях «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009, 2010), Международной научно-практической конференции «Ресурсы модернизации страны: творческая личность и изобретательство» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Современные компьютерные технологии фирмы Delcam в науке, образовании и производстве» (Самара, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (Рыбинск, 2012), X Международной научно-методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2012), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, 2008-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 статей (четыре статьи без соавторов), из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены два свидетельства о регистрации электронных ресурсов DSF и CPOUO.

Струюгура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включает 148 страниц текста, 95 рисунков, 16 таблиц, 11 приложений; список литературы содержит 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор работ по объемной упрочняющей обработке, рассмотрены существующие имитационные модели отделочно-упрочняющих процессов гранулированными средами, показана перспективность использования современных методов моделирования для определения показателей качества поверхности на основе контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми деталями.

Особенности формирования показателей качества поверхностного слоя при упрочняющей обработке исследованы Д. Д. Лаптевым, Ю. Г. Проскуряковым, Э. В. Рыжовым, А. Г. Сусловым, Д. JI. Юдиным, В. М Сорокиным и др., а взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей с

характеристиками качества поверхности и технологического обеспечения шероховатости поверхности раскрыта в работах Н. В. Демкина, В. С. Ком-балова, И. В. Крагельского, М. М. Тененбаума, а также зарубежных ученых: Ф. П. Боудена, Д. Табора, Д. Мура и др.

Существенный вклад в развитие технологии объемной упрочняющей обработки деталей внесли такие ученые, как А. П. Бабичев, А. П. Сергиев, М. А. Тамаркин, Ю. В. Димов, А. Н. Мартынов, В. О. Трилисский, В. 3. Зверовщиков и др.

Перспективным способом повышения качества поверхностей деталей, преимущественно сложной конфигурации, является ЦПО в контейнерах с планетарным вращением, которая отличается высокой интенсивностью за счет действия на рабочую загрузку инерционных, преимущественно центробежных, сил, многократно превышающих силу тяжести.

Сокращение сроков подготовки производства при использовании на финишных операциях объемной обработки требует достижения стабильных результатов без экспериментальной отработки технологических режимов. Наиболее эффективно подобные задачи решаются методами имитационного моделирования. Для моделирования различных способов обработки, включая ЦПО, созданы компьютерные программы, основанные на математическом описании движения и взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей для определения качественных характеристик поверхностного слоя.

В известных имитационных моделях при моделировании движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением не учитывалось наличие технологической жидкости в контейнере, а для водопадного режима движения уплотненной загрузки принималось допущение, что рабочие тела после отрыва от стенки контейнера движутся прямолинейно и равномерно. Также не учитывались инерционные силы от переносного вращения водила, действие которых позволяет повысить стабильность обработки путем циклического разрушения застойной зоны.

Показана актуальность исследований по совершенствованию отде-лочно-упрочняющей ЦПО поверхностей деталей. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено математическое описание сложного движения рабочей загрузки в контейнере с планетарным вращением при переносном вращении водила с учетом сопротивления технологической жидкости. Определены кинематические и динамические характеристики взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей, которые влияют на физико-механические показатели поверхностного слоя и топографические параметры поверхности. На рис. 1 приведена схема способа обработки.

Показано, что переносное вращение с угловой скоростью со3 водила 1, несущего контейнеры 2, приводит к разрушению застойной зоны 4 (рис. 2) центробежными силами, действующими вдоль оси контейнера, что создает благоприятные предпосылки для повышения стабильности обработки деталей. Сложная винтовая траектория движения рабочей загрузки в контейнере позволяет стабилизировать качество поверхности на труднодоступных участках профиля деталей сложной формы.

Рис. 2. Схема разделения рабочей загрузки на зоны при водопадном режиме движения: 1 - безотрывная зона; 2 - зона летящих шаров; 3 - переходная зона; 4 - застойная зона

Найдем граничное условие перехода рабочих тел уплотненной загрузки из безотрывной зоны 1 в зону полета 2. Определим проекции силы тяжести Ет и центробежной силы от переносного движения контейнера с водилом с угловой скоростью сс>з на плоскость сечения, перпендику-

лярного оси контейнера (рис. 3). Это позволит учесть влияние переносного вращения водила со скоростью ш3 на движение рабочих тел (шаров). Движение произвольного шара Мтп массой тт„, находящегося в безотрывной зоне при водопадном режиме движения загрузки, можно описать уравнением

mmA(R\2 +Rl+ ЩК cos A.m„)cos(arctg

R-, sin

Rm + RicosX„

-) +

+ mmn(0^Rm-2rnm„<ai(a2Rm -

„ tJ(R2 cos у + Ri cos © sin у + R3 cos (0 - \y) sin y)2 + (tf, sin 0 + R3 sin (© - у))'

tgy

R2 sin X,

x sin(7t — со3t - arctg -

-) + wm„gsin(co30 = 0,

(1)

Rm + Ri cos X„

где mmn — масса п-го шара, находящегося в m-м слое рабочей загрузки; 7?i — радиус водила; R2 - радиус контейнера; R3 - радиус переносного движения водила; Rm - радиус-вектор слоя т твердотельной загрузки; Хт„ — угол поворота тп-то шара относительно оси водила; t — произвольный момент времени; g — ускорение свободного падения; 9, у, у - угловые параметры; СО], со2, со3 — угловые скорости вращения водила, контейнера и переносного вращения водила соответственно.

Решая уравнение (1) численным методом, найдем угол поворота Хтп, при котором произойдет отрыв шара Мтп от стенки контейнера при варьировании угловых скоростей сложного вращения контейнера. Это позволит определить координаты и скорость шара Мтп в момент отрыва от стенки контейнера.

\ V

V S J7

/Мт п Ч /

/ / \

\

о,

х,

s

Рис. 3. Схема сил, действующих на произвольную частицу Мт уплотненной загрузки в безотрывной зоне

Уравнения движения шаров и обрабатываемого тела после отрыва от стенки контейнера (рис. 4) с учетом сопротивления жидкости представим в виде

тп тп 1т

(2)

тТа = Р ст+-/7тт, (3)

где Рстп > РсТ ~ сила сопротивления технологической жидкости движению шара и обрабатываемого тела соответственно; Р'ттп , 17тг - сила тяжести, действующая на шары и обрабатываемое тело соответственно; а — ускорение движения; ттп — масса произвольного шара; т7 - масса обрабатываемого тела (детали).

У

уТ

Кп т'

Рис. 4. Схема сил, действующих на частицы и обрабатываемое тело в зоне полета после отрыва от стенки контейнера

Определив проекции сил сопротивления ^соти и движению шаров и обрабатываемого тела и сил тяжести Рттп и на координатные оси х и у, преобразуем уравнения (2) и (3) в проекции на ось х к виду

(У

/*

(х'Т)2 —— + /йт^зт(со3?) = тТхТ,

(4)

(5)

где х'тп - проекции скоростей Утп шаров на оси абсцисс и ординат; х\ - проекция скорости ¥Т обрабатываемого тела на оси абсцисс и ординат; /- площадь проекции рабочего тела на плоскость, перпендикулярную вектору его скорости движения относительно оси контейнера; р - плотность жидкости; С — коэффициент сопротивления жидкостной среды; соз - угловая скорость переносного движения водила.

Аналогично определяются проекции сил на ось у.

Тогда координаты шаров и обрабатываемого тела на участке полета в момент времени / могут быть представлены следующими выражениями:

хтп Хтпмх

1

1

■ V '""отр у

+4{£2£

V <т"тр

2Гср/

Утп = Утп,„ +

У' '""У У

1,2 тт„)

у'

+ #зт(со3«)

«-'„О-(7)

хг = х- +

V. ™р У

Г

V отр

Г8т(ш3 г)

«"О- (8)

Ут = Уг, +

'-с

'-с

12тТ

Л„

- + §8Ш(С03

2Гср/

12т,

(9)

где хгаИи^, у,„„^ - координаты исходного положения шаров; х^ , ут - координаты исходного положения центра масс обрабатываемого тела; ?ия и /тотр - момент отрыва шаров и тела от стенки контейнера; х'т„^, у'т„ю — проекции начальных скоростей УтЩс шаров на координатные оси хиу в момент отрыва от стенки контейнера; и у'Т - проекции начальной скорости Ут обрабатываемого тела в момент отрыва от стенки контейнера на оси хиу.

С учетом полученных аналитических выражений (6), (7), (8) и (9) была разработана программа CPOUO в среде программирования Delphi-1.

Разработанная программа позволяет при известных конструктивных параметрах оборудования (радиус водила Ru радиус контейнера R2), плотности р жидкости и заданных технологических режимах (угловые скорости вращения водила coi и контейнера а>2, коэффициент загрузки контейнера К3) определить кинематические параметры (координаты, величины и направления скоростей) шаров и обрабатываемых тел в произвольный момент времени t, а также координаты точек контакта и количество контактов шаров с обрабатываемыми поверхностями в единицу времени.

Влияние угловой скорости вращения водила coj на скорости V взаимодействия шаров с поверхностью детали определялось с помощью компьютерной программы CPOUO. Сопоставление графических зависимостей (рис. 5), полученных на основе моделирования (зависимости 1 и 3), с результатами вычислений, проведенных без учета влияния технологической жидкости (зависимости 2 и 4), показало, что сопротивление жидкости уменьшает скорость V шара в момент контакта с обрабатываемой деталью в среднем на 15-20 %. Поэтому необходимо использовать более интенсивные режимы для увеличения скоростей взаимодействия шаров с поверхностью детали, необходимых для достижения одинаковых показателей качества поверхности.

Рис. 5. Влияние угловой скорости вращения водила Ш] на скорости V взаимодействия шаров с поверхностью детали

№ = 150 мм, R2 = 100 мм, = 0,5, р = 1000 кг/м3): 1 и 3 — скорости максимальная и средняя при движении в жидкости;

2 и 4 — скорости максимальная и средняя при отсутствии технологической жидкости

Анализ результатов, полученных с помощью программы CPOUO, позволил оценить влияние технологических факторов на режим движения уплотненной загрузки в контейнерах с планетарным вращением с учетом сопротивления технологической жидкости и выявить их рациональное сочетание для принятых конструктивных параметров оборудования.

В третьей главе разработана методика автоматизированного моделирования контактного деформационного взаимодействия шероховатой поверхности детали, представленной в виде пространственной модели (рис. 6), с рабочими телами (металлическими шарами) методом CAE.

Рис. 6. Пространственная модель шероховатой поверхности

Разработана новая программа DSF, которая позволяет формировать массив исходных данных для построения пространственной модели шероховатой поверхности детали на основе профилографирования. Отдельные модули программы позволяют производить определение параметров, необходимых для описания деформационного контакта, создавать набор команд (макрос) для моделирования объемных поверхностей в CAD-среде и выполнять подготовку данных для контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями с помощью программы ANSYS LS-DYNA путем загрузки файла с APDL-кодом, сгенерированным программой DSF в автоматическом режиме.

Распределение напряжений на поверхности детали в окне программы ANS YS LS-DYNA изображено на рис. 7.

Рис. 7. Распределение напряжений (МПа) на поверхности детали

На основе полученных результатов был поставлен вычислительный эксперимент по методике многофакторного планирования.

После статистической обработки результатов опытов вычислительного эксперимента были получены эмпирические зависимости влияния основных факторов на глубину Аупр (мкм) упрочнения и шероховатость поверхности Яа (мкм) в натуральных координатах:

А^р = 0,25 - 0,27 V + 0,07 Яш - 0,0006 ат - 0,03Яаи + 0,04УЯШ - 0,0001 Уат + + 0,03 УЯаи - 0,0002Лшстт + 0,0 + 0,000001от2 - 0,022Яа^, (10)

Яа = - 0,024 - 0,147К + 0,024ДШ + 0,0006ат + 0,637Ляи - 0,04бгааи --0,033ЯшЯаи + 0,0003сгтЛаи + 0.0195К2 - 0,000001а2 + 0,0316Лаи, (11)

где V - скорость шаров в момент контакта с поверхностью детали, м/с; Яш — радиус шаров, мм; ст - предел текучести материала, МПа; Яа„ - исходная шероховатость поверхности, мкм.

С увеличением скорости V шара в момент контакта происходит рост глубины /гуПр упрочнения (рис. 8), так как при этом возрастает энергия удара. Необходимую величину скорости V можно достигнуть изменением угловых скоростей вращения контейнера со2 и его переносных вращений ш, и соз для принятых конструктивных параметров оборудования. Глубина упрочнения /гуг|р пропорциональна массе шара, влияющей на энергию удара, поглощаемую поверхностью детали при контакте. Поэтому с увеличением размера Яш рабочих тел глубина упрочнения возрастает.

Рис. 8. Влияние скорости Finapa на глубину hyiV упрочненного слоя при центробежной обработке (ах = 550 МПа; Яая = 2,4 мкм): 1 - радиус шара Rm = 2 мм; 2 - радиус шара Rm = 4 мм; 3 - радиус шара Rm = 6 мм

Шероховатость поверхности Яа при увеличении скорости V шаров снижается (рис. 9). Это происходит за счет более интенсивного деформирования неровностей поверхности, что ускоряет ее нивелирование.

1,4

2

3

4

5 V, м/с

Рис. 9. Влияние скорости К шаров на шероховатость поверхности Ra при центробежной обработке (от = 250 МПа; Ra„ = 4 мкм): 1 - радиус шара Яш = 2 мм; 2 - радиус шара Яш = 4 мм; 3 - радиус шара Лш = 6 мм

При контакте шаров с исходными неровностями поверхности происходит их смятие, а также пластическое hn и упругое Лу деформирование поверхностного слоя (рис. 10).

Рис. 10. Профиль поверхности после обработки стальными шарами: 1 - исходное положение рабочего тела; 2 - исходная средняя линия профиля поверхности; 3 - исходный профиль неровностей обрабатываемой поверхности; 4 - конечное положение рабочего тела; 5 — средняя линия профиля при максимальном внедрении шаров в металл;

6 — средняя линия выступов профиля после упругого восстановления поверхности; 7 - профиль поверхности после центробежной обработки шарами

Величина смещения рабочего тела при контакте, вызывающая изменение микропрофиля поверхности, находится по формуле

где а - величина сближения поверхностей, определяемая по известной зависимости, предложенной И. В. Крагельским:

з J

о

h-a + hy,

(12)

а =

^7172,

(13)

где цс - контурное давление; к - приведенный коэффициент жесткости; у, и у2 - параметры, определяемые по функции относительной опорной длины профиля 1р(р) для поверхностей обрабатываемой детали и индентора (стального шара); р - уровень сечения профиля.

Для определения параметров у, и у2 разработан специальный программный модуль.

Величина упругих Лу деформаций поверхностного слоя определялась по соотношению, установленному И. В. Крагельским:

_ 2

ЙУ=240-ЗД„

(14)

где ат - предел текучести материала детали; Е - модуль упругости материала детали; - радиус шара.

Параметр остаточной шероховатости Яга можно представить в виде

Дг0=Ягн-я + й,, (15)

где Ягя - исходная шероховатость поверхности детали по параметру Лг.

Тогда из соотношений (13), (14) и (15) находим значение шероховатости поверхности по параметру На после центробежной обработки в виде

=

Дг.- з

6 д.

\frlY2

+ 240

Е

К

(16)

где К- коэффициент (для отделочных методов обработки К = 4,5-5).

При формировании отпечатков шаров на идеально гладкой поверхности профиль шероховатой поверхности определяется динамическими параметрами контакта и прочностью материала детали. Достижимая шероховатость поверхности ЯаД является результатом деформационного воздействия сферических рабочих тел на обрабатываемую поверхность с пренебрежимо малой величиной исходного микропрофиля.

Результаты моделирования в программе СРОНО показали, что распределение отпечатков шаров по поверхности детали происходит в соответствии с законом равной вероятности для открытых поверхностей. Тогда при времени обработки, достаточном для двукратного покрытия поверхности детали отпечатками шаров, сформированный профиль будут образовы-

вать отпечатки трех видов: отпечатки после первичного контакта, отпечатки после двукратного контакта в одной точке и отпечатки после повторного контакта по выступу.

Различные виды отпечатков можно объединить в комплекс неровностей микропрофиля поверхности. Если обрабатываемая поверхность будет покрыта подобными комплексами неровностей, то оценку параметров полученного профиля поверхности можно упрощенно провести с помощью программного обеспечения МШИСАИ. Достижимая шероховатость поверхности характеризуется параметром Яад, определяемым по полученному профилю комплекса отпечатков.

Если заданная на чертеже шероховатость поверхности Яа находится в диапазоне Яал < Яа < Яа0, то найденные режимы ЦПО можно рекомендовать для отделочно-упрочняющей операции. Если Яа > Яа0, то необходимо корректировать режимы обработки (изменять угловую скорость вращения водила, размеры шаров и т.п.). Если Яа < Яаа, то это свидетельствует об излишней интенсивности обработки, а следовательно, и ее завышенной себестоимости, что является основанием для уменьшения длительности цикла или интенсивности обработки.

В четвертой главе описана методика и приведены результаты экспериментальных исследований центробежной отделочно-упрочняющей обработки.

Экспериментальные исследования проводились на центробежно-планетарной установке ЦПУ-1002Э на образцах из стали 45, 20, 30ХГСА и алюминиевого сплава АМгб с различной исходной шероховатостью поверхности. В качестве основных переменных факторов были приняты: частота переносного вращения водила пи мин-1; радиус шаров Яш, мм; предел текучести ат материала, МПа; величина исходной шероховатости поверхности Яаи, мкм.

Полученные после обработки результатов опытов модели, характеризующие влияние основных технологических факторов на глубину Аупр упрочненного слоя и шероховатость поверхности Яа, имеют вид

^ =0,139 „Л96^17^27^0-46. (17)

Яа^Шп^Я^^а^Яа»0-5. (18)

С увеличением частоты вращения водила щ (рис. 11) возрастает глубина упрочненного слоя Лупр, что объясняется пропорциональным увеличению скорости ростом силы взаимодействия шаров и поверхности детали.

о

100 150 200 250 пи мин"1'

Рис. 11. Влияние частоты щ вращения водила на глубину Аупр упрочненного слоя (стт = 550 МПа; RaH = 2,4 мкм; Лш = 4 мм): 1 - экспериментальная зависимость; 2 - теоретическая зависимость; 3 - теоретическая зависимость по известной модели

Расчеты по предлагаемой методике (зависимость 2) обеспечивают удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными (зависимость 1) и характеризуются величиной дисперсии S = 0,1 мм. Погрешность расчетных значений по известной методике (зависимость 3) характеризуется величиной дисперсии S = 0,7 мм. Это позволяет оптимизировать режимы центробежно-планетарной обработки, необходимые для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя.

Приведена методика, позволяющая с помощью прототипирования поверхности определить предел текучести сгт обрабатываемых материалов для тонких поверхностных слоев. Полученные результаты были использованы при моделировании процесса деформационной объемной обработки методом конечных элементов. Установлено, что величина поправочного коэффициента для ат составляет 1,2-1,5.

В пятой главе на основании проведенных исследований разработана система проектирования операции отделочно-упрочняющей обработки, позволяющая оптимизировать технологические режимы для достижения заданных показателей качества. Схема алгоритма системы проектирования приведена на рис. 12.

Разработанная система внедрена для обработки мелкоразмерных деталей сложной формы на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М В. Проценко» и ООО «Ладья». За счет сокращения сроков подготовки производства и оптимизации режимов обработки повысилась производительность труда и снизился уровень брака. Годовой экономический эффект составил 325 тыс. руб.

В приложениях приведены фрагмент макроса Delcam PowerSHAPE для построения пространственной модели шероховатой поверхности, фрагмент APDL-кода ANSYS, методика обработки результатов экспериментов, описание и принцип действия установки ЦПУ-1002Э, акты о внедрении, свидетельства о регистрации электронных ресурсов.

Ввод габаритов и массы заготовке /

X

Ввод свойств материалов обрабатываемых заготовок: предел прочности о,, /

предел текучести о,, плотность рд| модуль упругости Е, коэффициент Пуассона V,твердость НВ /

Назначение размеров геометрической модели дл! моделирования обрабатываемой заготовки

Назначение параметров оборудования: радиус водила А, радиус контейнера А, /

радиус переносного вращения водила А, радиусы рабочих тея (шаров) Я. /

I

Ввод плотности и вязкости технологической жидкости. ^

Назначение исходной шероховатости поверхности Яа обрабатываемой детали /

I

Назначен не требуемого уровня параметров качества: глубина А **»»» упрочнения /

и шероховатость Яд ^поверхности детали /

Назначение технических ограничений: !

минимальное и максимальное врема обработки /в1| и о шагом А*,

минимальная и максимальная частота вращения водила п*'" в л""" с шагом Дл,,

минимальная в максимальная частота вращения контейнера л*1" и ^"о шагом Дл2,

минимальная и максимальная частота переносного вращения водила л"*" и л"" с шагом ¿л,,

минимальная и максимальная загрузка контейнера и Кзта1 с шагом

Формирование матрицы возможных сочетаний

технологических режимов ^_|

I " --- /:=*А/

Выбор первого сочетания технологических режимов (Яг=1)

1

Определение параметров качества оря заданных режимах: глубина упрочнениа и шероховатого поверхности Да

Нет

Показатели качества определены для всех сочетаний технологических режимов

I Д"

I Оптимальные режимы обработки: время обработки г,частота вращения водюв м,

/ частота вращеши контейнеров «, частота переносэого вращения водила ни, степень загрузки хошейнероа К..

С

-л

Рис. 12. Схема алгоритма системы проектирования технологической операции отделочно-упрочняющей ЦПО

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана система проектирования отделочно-упрочняющей операции на основе имитационного моделирования контактного взаимодействия металлических шаров с пространственной моделью поверхности, учитывающая влияние технологической жидкости.

2. Получены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязи технологических режимов с кинематическими и динамическими характеристиками рабочих тел в зоне полета с учетом сопротивления технологической жидкости, силы тяжести и переносного вращения водила. Доказано, что наличие жидкости при водопадном режиме движения рабочей загрузки приводит к изменению скорости движения рабочих тел на 15-25 % и существенно влияет на результаты упрочнения и нивелирование поверхности.

3. Разработаны математические модели для определения глубины упрочненного слоя и шероховатости поверхности после контакта рабочих тел с заготовкой. На основе вычислительного эксперимента установлено, что при ЦПОУО глубина упрочнения составляет 0,5-1,2 мм и достигается шероховатость поверхности Яа = 0,8-1,6 мкм при исходной шероховатости Яа = 1,6-3,2 мкм.

4. Создана методика построения комплекса микронеровностей профиля, возникающих при объемной упрочняющей обработке, позволяющая определить величину параметра Яа обработанной поверхности.

5. Разработана программа СРОНО для имитационного моделирования движения рабочей загрузки при ЦПОУО с учетом влияния технологической жидкости.

6. Разработан программный модуль, позволяющий определять сближение шероховатых поверхностей и формировать массив данных для построения пространственной модели микронеровностей поверхности детали.

7. Разработаны методика и программное обеспечение для построения пространственной топографической модели шероховатой поверхности и преобразования ее в формат, необходимый для СЛ£-анализа.

8. Разработана методика и спроектирована технологическая оснастка для определения физико-механических свойств тонких поверхностных слоев материалов, необходимых для моделирования деформационной объемной обработки. Установлено, что величина поправочных коэффициентов для различных марок конструкционных углеродистых сталей составляет 1,2-1,5.

9. Разработанная система проектирования операции отделочно-уп-рочняющей обработки внедрена на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Процента» и ООО «Ладья». За счет сокращения сроков подготовки производства и оптимизации режимов обработки повысилась производительность труда и снизился уровень брака. Годовой экономический эффект составил 325 тыс. руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Гурин, П. А. Использование CAD/CAM систем фирмы Delcam в исследовательской работе / П. А. Гурин, С. А. Нестеров, А. Н. Машков // САПР и графика. - 2010. - № 4. - С. 18-20.

2. Гурин, П. А. Моделирование центробежной отделочно-упрочняющей обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением для оптимизации технологических режимов / В. 3. Зверовщиков, С. А. Нестеров, А. Е. Зверовщиков, П. А. Гурин / Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 4. - С. 93—103.

3. Гурин, П. А. Совершенствование центробежной отделочно-упрочняющей обработки на основе моделирования взаимодействия рабочих тел с микрорельефом поверхностей деталей / В. 3. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, В. А. Скрябин, П. А. Гу-рин//Ремонт, восстановление, модернизация.-2013.-№ 5.-С. 34—38.

Публикации в других изданиях

4. Гурин, П. А. О моделировании процесса контактирования индентора и шероховатой поверхности / С. А. Нестеров, П. А. Гурин // Технологическое обеспечение качества машин и приборов : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2008. - С. 89-92.

5. Гурин, П. А. Моделирование шероховатой поверхности на основе компьютерной обработки сканированных данных / В. 3. Зверовщиков, С. А. Нестеров, А. Н. Машков, П. А. Гурин // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/ CAM/CAE/PDM : сб. ст. III Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. - С. 26-30.

6. Гурин, П. А. Компьютерная обработка сканированных данных шероховатой поверхности / С. А. Нестеров, П. А. Гурин, Ю. И. Просвирнин, Н. В. Сорокина // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. - С. 65-68.

7. Гурин, П. А. Расчет контактного нагружения шероховатой поверхности / С. А. Нестеров, П. А. Гурин, Ю. И. Просвирнин, Н. В. Сорокина // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза : Приволжский Дом знаний, 2009. - С. 69-72.

8. Гурин, П. А. О программе оцифровки данных сканирующих систем / П. А. Гурин // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 25-29.

9. Гурин, П. А. Моделирование формирования поверхностного слоя детали в программе Ansys LS-DYNA в автоматическом режиме / В. 3. Зверовщиков, П. А. Гурин, Г. Ф. Тютиков // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 29-33.

10. Гурин, П. А. Использование программ PowerSHAPE и PowerMILL для изготовления увеличенной физической модели шероховатой поверхности / С. А. Нестеров, П. А. Гурин, Н. В. Сорокина, Ю. И. Просвирнин // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 71-75.

11. Гурин, П. А. Программа моделирования центробежно-планетарной отделочно-упрочняющей обработки / С. А. Нестеров, П. А. Гурин, Ю. И. Просвирнин, Н. В. Сорокина, Г. Ф. Тютиков // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 75-78.

12. Гурин, П. А. Генерирование физической модели шероховатой поверхности с использованием программ PowerSHAPE и PowerMILL / П. А. Гурин // Актуальные проблемы разработки и использования компьютерных технологий

в машиностроении : межвуз. сб. науч. ст. с междунар. участием. - Самара : Самарский гос. техн. ун-т, 2010. - С. 88-90.

13. Гурин, П. А. Модель формирования поверхностного слоя деталей при центробежно-планетарной отделочно-упрочняющей обработке / П. А. Гурин // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : сб. ст. II Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 17-20.

14. Гурин, П. А. Повышение эффективности центробежной обработки деталей на основе моделирования контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями / И. И. Артемов, В. 3. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, П. А. Гурин // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадви-гателестроении : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. - Рыбинск : РГАТУ им. П. А. Соловьева, 2012. - Ч. II. - С. 263-266.

15. Гурин, П. А. Программа DSF как метод автоматизации решения задач теории контактирования шероховатой поверхности и рабочих тел / В. 3. Зверовщиков, П. А. Гурин, В. Я. Обушников И Ресурсы модернизации страны: творческая личность и изобретательство : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 52-55.

16. Гурин, П. А. Моделирование шероховатости поверхности при отделочно-упрочняющей обработке / П. А. Гурин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2011.-С. 286-289.

17. Гурин, П. А. Моделирование параметров микрорельефа в программе PowerSHAPE / С. А. Нестеров, П. А. Гурин II Современные компьютерные технологи фирмы Delcam в науке, образовании и производстве: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Самара : Самарский гос. ун-т, 2011. - С. 44.

18. Гурин, П. А. Моделирование движения рабочей загрузки в контейнере с планетарным вращением / П. А. Гурин, Н. В. Печникова, Н. В. Сорокина // Инновации в науке, образовании и бизнесе : материалы X Междунар. науч,-метод. конф. - Пенза : Изд-во Пензенского филиала РГУИТП, 2012 - Т. 2. -С. 110-112.

Свидетельства о регистрации электронных ресурсов

19. Гурин, П. А. Программа моделирования движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением при варьировании динамических параметров «CPOUO.exe» : свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17363 от 05.08.2011 / С. А. Нестеров, П. А. Гурин. - Пенза, 2011.

20. Гурин, П. А. Программа регистрации и преобразования параметров при сканировании поверхности «DSF.exe» : свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17364 от 05.08.2011 / П. А. Гурин, С. А. Нестеров. - Пенза, 2011.

Научное издание

ГУРИН Павел Александрович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор С. В. Денисова Компьютерная верстка С. В. Денисовой

Распоряжение № 15/2013 от 21.05.2013.

Подписано в печать 24.05.2013. Формат 60х84'/16 Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100. Заказ № 343._

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таП:ис@р1^и.ги

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201360182

ТУРИН Павел Александрович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.З. Зверовщиков

ПЕНЗА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения, принятые в работе...................... 6

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 11

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОБЪЁМНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЗАГРУЗКИ............... 15

1.1 Характеристика методов объёмной отделочно-упрочняющей обработки............................................................................ 15

1.2 Методы имитационного моделирования движения гранулированных сред для различных процессов отделочно-

упрочняющей обработки......................................................... 21

ВЫВОДЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................... 36

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ УПЛОТНЁННОЙ ЗАГРУЗКИ В КОНТЕЙНЕРАХ С ПЛАНЕТАРНЫМ ВРАЩЕНИЕМ С УЧЕТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ............... 38

2.1 Принципиальная схема центробежной обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением....................................... 38

2.2 Исследование движения рабочей загрузки с учетом

сопротивления технологической жидкости................................... 42

2.3 Моделирование движения уплотнённой загрузки при центробежной обработке деталей с учётом сопротивления

технологической жидкости...................................................... 60

ВЫВОДЫ............................................................................. 70

3 ИМИТАЦИЯ КОНТАКТНОГО ДЕФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ТЕЛ С ШЕРОХОВАТОЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ........................ 71

3.1 Разработка программного обеспечения и модулей для

регистрации и преобразования электрических сигналов при измерении

шероховатости поверхности детали............................................. 73

3.1.1 Формирование исходного сигнала для оценки параметров шероховатой поверхности......................................................... 73

3.1.2 Регистрация и преобразование электрических сигналов для измерения шероховатости поверхности......................................... 75

3.2 Разработка программного модуля для вычисления параметров шероховатости поверхности....................................................... 78

3.3 Автоматизация построения объёмной модели шероховатой поверхности........................................................................... 84

3.4 Автоматизация моделирования контактного взаимодействия

рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями............................. 86

3.5 Определение глубины пластических отпечатков при контактном деформационном взаимодействии шероховатой поверхности с

рабочими телами...................................................................... 91

3.6 Оценка параметров качества поверхности при отделочно-упрочняющей центробежной обработке на основе вычислительного эксперимента.......................................................................... 94

3.7 Методика построения комплекса микронеровностей профиля для

определения шероховатости обработанной поверхности................... 105

ВЫВОДЫ............................................................................... 114

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКЕ................................................ 115

4.1 Оборудование и приспособления для проведения исследований ... 115

4.2 Образцы и материалы для экспериментальных исследований....... 120

4.3 Рабочие тела и технологические жидкости.............................. 124

4.4 Методика исследования шероховатости поверхности и

упрочнения металла.................................................................. 124

4.5 Методика определения предела текучести в тонких

поверхностных слоях металла..................................................... 125

4.6 Экспериментальное исследование упрочнения поверхностного слоя металла и шероховатости поверхности после центробежной обработки.............................................................................. 131

4.7 Экспериментальное определение поправочных коэффициентов

для предела текучести металла в тонких поверхностных слоях............ 143

ВЫВОДЫ............................................................................... 146

5 СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В КОНТЕЙНЕРАХ С ПЛАНЕТ АРНЫМ ВРАЩЕНИЕМ....................... 147

5.1 Система проектирования ЦПОУО деталей и рекомендации по

выбору технологических режимов ..........................................................................................147

5.2 Промышленное технологическое оборудование для отделочно-упрочняющей обработки........................................................................................................................158

5.3 Область применения и технико-экономическая эффективность центробежной обработки в контейнерах с планетарным вращением .... 163

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................166

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................167

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................................................................190

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................................................................193

ПРИЛОЖЕНИЕ Д........................................................................................................................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ Е........................................................................................................................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж......................................................................................................................................207

ПРИЛОЖЕНИЕМ......................................................................................................................................212

ПРИЛОЖЕНИЕ К........................................................................................................................................217

ПРИЛОЖЕНИЕ Л........................................................................................................................................219

ПРИЛОЖЕНИЕ М......................................................................................................................................220

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

ВОУО - вибрационная отделочно-упрочняющая обработка;

КЭ - конечные элементы;

ОУО - отделочно-упрочняющая обработка;

ЦПОУО - центробежно-планетарная отделочно-упрочняющая обработка; ЦРОУО - центробежно-ротационная отделочно-упрочняющая обработка; а - сближение поверхностей;

ак - кориолисово ускорение рабочего тела от вращения контейнера с угловыми скоростями соьсог;

ат, - длина обрабатываемого тела (детали);

ац\ - ускорение рабочего тела от вращения контейнера вокруг оси водила

СО СКОРОСТЬЮ СОь

£ц2 - ускорение рабочего тела от вращения контейнера вокруг собственной оси со скоростью со2;

йЦз - ускорение рабочего тела от переносного вращения водила со скоростью со3;

Ьу - ширина обрабатываемого тела (детали); Е - модуль упругости материала детали;

Fx - сила инерции от вращения водила с угловой скоростью соь

F2 - сила инерции от вращения контейнера с угловой скоростью со2;

F, - сила инерции от переносного вращения водила с угловой скоростью

Fc - сила сопротивления рабочей жидкости;

^стп - сила сопротивления технологической жидкости движению рабочих

тел;

^стпх - проекция на ось ОХ силы сопротивления ^ движению шара в

^ пт

технологической жидкости;

¡7 I?

стпу - проекция на ось 07 силы сопротивления стп движению шара в технологической жидкости;

Су - сила сопротивления технологической жидкости движению обрабатываемого тела;

?сТх - проекция на ось ОХ силы сопротивления движению

обрабатываемого тела (детали) в технологической жидкости;

?сту - проекция на ось ОУ силы сопротивления движению

обрабатываемого тела в технологической жидкости; - сила тяжести;

р

ттп - сила тяжести, действующая на шары;

- сила тяжести, действующая на обрабатываемое тело; р _

ттпх - проекция на ось ОХ силы тяжести ^ , действующей на шары;

^ тп

^ттХ - проекция на ось ОХ силы тяжести ^ , действующей на

Тт

обрабатываемое тело;

^ттпу - проекция на ось ОУ силы тяжести Т7 , действующей на шары;

^ пт

ГТТУ - проекция на ось ОУ силы тяжести , действующей на

обрабатываемое тело;

к0ТП - глубина отпечатка на поверхности обрабатываемого тела (детали) после контакта с шаром;

/гупр - глубину упрочненного слоя детали;

^чо1(о2 - соотношение угловых скоростей вращения водила и контейнера планетарного механизма;

К} - коэффициент заполнения контейнера; Кп - поправочный коэффициент;

т -номер слоя рабочей загрузки контейнера планетарного механизма; Мтп - п-й шар, находящейся в т-м слое уплотнённой загрузки при планетарном движении контейнера;

ттп - массы и-ых шаров в т-ном слое рабочей загрузки; тт - масса тела;

тш - масса шара (рабочего тела);

п -номер шара в слое рабочей загрузки контейнера планетарного механизма;

Р - сила вдавливания шара в поверхность детали; Я\ - радиус водила планетарного механизма; Я2 - радиус контейнера;

- радиус переносного вращения водила; Яш - радиус шара (рабочего тела); Г - время/

?т"отР - время отрыва шара Мтп от стенки контейнера;

tp - относительная опорная длина профиля шероховатой поверхности;

4>тр - время отрыва обрабатываемого тела (детали) от стенки контейнера; ит - угол наклона обрабатываемого тела (детали); V- скорость взаимодействия шаров с поверхностью детали; Ушах ~ максимальная скорость взаимодействия шаров с поверхностью детали;

Утп - скорость движения шара Мпт;

- скорость шара Мтп в момент отрыва от стенки контейнера;

Уср - средняя скорость взаимодействия шаров с поверхностью детали; УТ - скорость движения обрабатываемого тела;

^тисх — скорость обрабатываемого тела (детали) в момент отрыва от стенки контейнера;

хтп и Утп - координаты шара Мтп в системе координат ХУ;

I

хтп ~ пРоекЦия на ось ОХ скорости Утп движения шаров;

г г

хтп ~ пРоекЧия на ось ОХ суммарного ускорения атп п-ых шаров в га-ном слое рабочей загрузки;

хтлисх - координата по оси X положения шара Мтп в момент отрыва от стенки контейнера;

х тп'исх - проекция на координатную ось X скорости шара Мтп в момент отрыва от стенки контейнера;

Хтисх ~ координата по оси ^положения обрабатываемого тела (детали) в момент отрыва от стенки контейнера;

г

% т'исх - проекция на координатную ось X скорости обрабатываемого тела (детали) в момент отрыва от стенки контейнера;

г

х^ - проекция на ось ОХ скорости V, движения тела;

г г

хт - проекция на ось ОХ суммарного ускорения ат тела;

11

Утп - проекция на ось ОУ суммарного ускорения атп «-ых шаров в га-ном слое рабочей загрузки;

Утпксх - координата по оси У положения шара Мтп в момент отрыва от стенки контейнера;

У тп»сх - проекция на координатную ось У скорости шара Мтп в момент

отрыва от стенки контейнера;

11

.Уу - проекция на ось ОУ результирующего ускорения «т тела;

Лмсх - координата по оси У положения обрабатываемого тела (детали) в момент отрыва от стенки контейнера;

г

У т исх - проекция на координатную ось У скорости обрабатываемого тела (детали) в момент отрыва от стенки контейнера;

у - угол поворота при переносном вращении водила вокруг горизонтальной

оси;

71 и у2 - параметры, определяемые по функции относительной опорной длины профиля гр{р) для поверхностей обрабатываемой детали и индентора (стального шара);

г) - динамическая вязкость среды;

9 - угол поворота водила вокруг собственной оси;

^тп ~ угол поворота шара Мтп относительно оси водила;

р - плотность рабочей жидкости;

рд - плотность материала обрабатываемых деталей;

рш - плотность материала стальных шаров (рабочих тел);

от - предел текучести материала;

Утп - угловая координата, определяющая положение рабочих тел в контейнере для произвольного момента времени г. ©1 - угловая скорость вращения водила;

со2 - угловая скорость вращения контейнера вокруг собственной оси; ©з - угловая скорость переносного вращения водила.

ВВЕДЕНИЕ

На современных машиностроительных предприятиях производится большое количество деталей сложной конфигурации мелких и средних размеров. На окончательных операциях механической обработки таких деталей во многих случаях используют различные методы отделочно-упрочняющей обработки. Для придания поверхностям декоративного вида или повышения качественных характеристик поверхностного слоя деталей широкое распространение получили такие методы объёмной отделочно-упрочняющей обработки деталей гранулированными рабочими средами как галтовочная, вибрационная, центробежно-ротационная и центробежно-планетарная обработка, что позволяет механизировать отделочные и упрочняющие технологические операции.

В Пензенском государственном университете разработана технология центробежно-планетарной обработки для упрочнения и отделочной обработки поверхностей мелких и средних деталей поверхностно-пластическим деформированием стальными полированными шарами.

Широкое внедрение на промышленных предприятиях эффективной технологии центробежно-планетарной обработки ограничивают отсутствие серийного выпуска центробежных устройств и сложность прогнозирования качественных характеристик поверхности на этапе технологической подготовки производства. Для оценки эффективности отделочно-упрочняющей обработки необходимо формализовать взаимодействие гранулированной среды с поверхностями деталей как основы для разработки программного обеспечения, которое позволит на основе имитационного моделирования сократить сроки технологической подготовки при реализации инновационных проектов технологического направления и существенно уменьшить затраты, повысив гибкость производства.

Для расширения технологических возможностей проектируемых центробежных установок необходимо математически описать контактное

взаимодействие рабочих тел и обрабатываемых деталей при варьировании конструктивных параметров и технологических факторов.

Контактное деформационное взаимодействие рабочих тел с шероховатой поверхностью обрабатываемой детали является одним из важнейших процессов, характеризующих отделочно-упрочняющую обработку поверхностно-пластическим деформированием. Формализованное

математическое описание и моделирование этого процесса является сложной задачей, воплощение которой возможно с использованием современных компьютерных технологий.

Целью работы является достижение заданных показателей качества поверхности при центробежно-планетарной обработке путем разработки и применения системы технологического проектирования, основанной на имитационном моделировании контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей.

Научная новизна:

1) разработана система проектирования операционной технологии на основе имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей, направленная на рациональное достижение заданных показателей качества поверхностного слоя;

2) создана математическая модель движения загрузки в контейнерах с планетарным вращением, учитывающая сопротивление технологической жидкости, установлено, что оно оказывает существенное влияние на скорости взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей при варьировании режимов обработки в эффективном для упрочнения металла диапазоне;

3) установлены связи контактного деформационного взаимодействия рабочих тел в виде стальных шаров и деталей с глубиной упрочнения и шероховатостью обработанной поверхности, на основе которых определяются рациональные режимы и длительность цикла ЦПО.

Практическая ценность:

1) предложена методика и разработано технологическое оснащение для определения прочностных характеристик тонких поверхностных слоев металла, необходимых для моделирования контактного деформационного взаимодействия;

2) разработаны рекомендации для назначения режимов обработки, обеспечивающих стабильное достижение необходимых показателей качества поверхностного слоя;

3) разработана и внедрена система рационального автоматизированного проектирования операционной технологии ЦПО на основе имитационного моделирования процесса, которая позволяет назначать рациональные режимы и оптимизировать длительность цикла ППД деталей из различных материалов.

Положения, выносимые на защиту:

1) система проектирования отделочно-упрочняющей ЦПО для оптимизации технологических режимов, обеспечивающих заданные показатели качества поверхностей деталей;

2) математические модели движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением с учетом сопротивления технологической жидкости для определения динамических характеристик шаров и обрабатываемых деталей при варьировании режимов обработки;

3) методика имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей для определения показателей качества поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке;

4) математическая модель формирования шер