автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование процесса и разработка методики расчета технологических параметров центробежноротационной обработки деталей

р г 5 Ой г 8 НОЯ 199«»

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ! УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.924.7

ДАВЫДОВА Ирина Вазгеновна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 1994

Работа выполнена в Донском государственно« техническом университете

Научный руководитель - засл. деятель наук» и техники

Российской Федерации, член-корр. РАТН . доктор технических наук, профессор БАБИЧЕВ А. П.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор КОПЫЛОВ Ю. Р.

кандидат технических наук, доцент САМОДУМСКИП Ю. М.

Ведущее предприятие -

АО "САНТЛРМ"

Защита состоится 27 декабря 1994г. в ГО'. 00 часов на заседании специализированного совета Д. 063! 27.03 при Донском государственном технической' университете : 344708, г.Ростов-на-Дону. ГСП - 8. пл. Гагарина, I. ДГТУ ,ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим выслать •в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан

2$- ноя Зря

19Э4г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических тук. профессор мйггриев В. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении доминирующее влияние на качественные и эксплуатационные показатели деталей оказывают финишные операции технологических процессов, среди которых ведущее место занимают методы абразивно-алмазной обработки, в частности обработка свободным абразивом. К ним относятся галтовка, виброобработка, обработка деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами и др.

Стремление избавиться от недостатков присущих перечисленном методам и повысить интенсивность обработки привело к созданию нового метода - центробегшо-ротационной обработки (ЦРО). Исследования российских и зарубежные специалистов свидетельствуют о значительной эффективности данного метода. Однако недостаточная изученность особенностей взаимодействия абразивной гранулы с поверхностью детали в условиях тороидально-винтового потока, невыяснешость взаимосвязи механического разрушения поверхности в процессе ЦРО, его влияния на съем металла и формирование шероховатости поверхности затрудняет прогнозирование этих параметров, а таюке внедрение процесса в производство.

Поэтому следует считать актуальными исследования, направленные на совершенствование процесса ЦРО. что позволит рассчитать оптимальные варианты технологических процессов при обработке деталей машин и приборов.

Цель работы. Совершенствование центробежно-ротационной обработки на основе комплексных исследований технологических параметров процесса.

Автор зашикает:

1. Физическую модель образования тороидально-винтового потока рабочей среды

2. Механизм процесса съема металла с поверхности детали а услов51ях ЦРО.

3. Методы и результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на сероховатость поверхности и износ абразивной среды.

4. Методику расчета основных технологических параметров процесса ЦРО.

Msiojm Ейслеловатая^ Теоретические исследования еыголн^ны с использованием аппарата механики сплошных сред, гидродинамики

теории трения и износа, абразивного разрушения, шлифования.

При проведении экспериментальных исследований использовались методы, основанные на применении точного взвешивания, про-филометрии, вискозиметрии. Расчеты производились с использованием вычислительной техники.

Научная новизна. Разработана теоретическая двухслойная йо-дель образования тороидально-винтового штока рабочей среды при ЦРО, описанная системой дифференциальных уравнений. Получена теоретическая зависимость для определения съема металла с поверхности заготовки в условиях ЦРО. Получены оптимизированные зависимости для определения шероховатости поверхности и износа абразивной среды. Разработана методика расчета основных технологических параметров процесса. Разработан новый способ ЦРО,позволяющий интенсифицировать процесс.

, Практическая ценность -работ

1. Получены модели, отражающие влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды, на основе которых разработаны инженерные таблицы технологических параметров, обеспечивающих получение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивного материала.

2. Полученные сведения об износе абразивных сред при исследовании процесса ЦРО ыогут быть использованы при разработке новых технологических процессов.

3. Разработана методика инженерных расчетов основных технологических параметров процесса на операциях шлифования, полирования и удаления заусенцев.

4. Разработан новый совмещенный процесс ЦРО, который позволяет сокращать вспомогательное время и .трудоемкрсть обработки одной детали, для нескольких операций использовать одну единицу технологического оборудования, снизить себестоимость обработки.

Реализация результатов исследования. Результаты работы прошли промышленные испытания на АО "САНТАРМ".

Апр°0Д1ЩЯ работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ в 1990-1994гг., региональных , научцо-технических семинарах "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" ( Ростов-на-Дону, 1991г, Воронеж. 1993г.). всесоюзной научно-технической конференции " Остаточные напряжение - резерв прочности в машиностроении" (Ростов-на-Дону. 1991г.),

международных научно-технических конференциях " Совершенствование и развитие отделочно-зачистной, финишной и поверхностно-пластической обработки деталей" ( Винница ,1992. 1994 гг.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 печатных работ, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 188 "страниц машинописного текста, 42 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 125 наименований, а также приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой рассмотрены сущность и технологические воз-

можности разновидностей отделочно-зачистной обработки. Отмечается актуальность работ, направленных на интенсификацию процесса за счет использования различных видов энергии, в частности от центробежных сил. Проведен обзор процессов галтовки, виброобработки, центробежных методов обработки. Проанализированы основные положения работ А. П. Бабичева. В. А. Ангилогова. В. М. Георг/.ева, В.А.Григорьева, А. Е. Зверовщикова, В.М.Кузахонь, А. Н. Мартынов?, В. М. Мороза. В. В. Панчурииа, С. Г. Ракитина, ¡0. И. Самодумского, М. А. Тамаркина, В. О. Трилксского и др.

Стремление избавиться от присущих недостатков в рассматриваемых методах 030 и повысить интенсивность обработки путем увеличения относительных скоростей и удельных давлений в потоке" гибкой обрабатывающей среда привело'к созданию нового метода - центробежно-ротационноа обработки (ДРО). Сущность его состоит в том. что абразивный наполнитель я обрабатываемые детали приводятся во вращательное движение вокруг вертикальной оси таким образом, что вся масса загрузки приобретает форму тора, в котором отдельные компоненты движутся по винтовой траектории-Тороидально-винтовой поток обеспечивается конструкцией рабочей камеры, состоящей из неподвижной обёчайки и примыкающего к ней вращающегося .1321.

При- данном методе обработки обрабатывающая среда 3 ( рис. I) и обрабатываемые детали 4- загружают в рабочую камеру,

Рис. I. Схема центробежно-ротационной обработки-.

1 - неподвижная обечайка;

2 - вращающееся дно;

3 - обрабатывающая среда;

4 - обрабатываемые детали.

образованную неподвижной обечайкой I и вращающимся дном 2. При вращении дна вся масса загрузки вовлекается в сложное тороидально-винтовое движение, в процессе которого происходят относительные перемещения и взаимодействия гранул наполнителя и деталей, смачиваемых хидкостью. непрерывно подаваемой в рабочую камеру .

Из анализа работ, посвященных исследованию процесса ЦРО, сделаны следующие выводы: I. Выявлены широкие технологические возможности процесса. 2. Имеющиеся сведения' о ЦРО не отражают в полной мере физическую сущность процесса, не- достаточно полно объяснен процесс образования тороидально-винтового потока среды. 3. Не выявлен механизм съема металла с поверхности заготовки,учитывающий влияние реологических параметров потока, характеристик абразива, режимов обработки и механических свойств обрабатываемого материала. 4. Не рассмотрены оптимизированные зависимости влияния режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды. . 5. Отсутствует методика расчета основных: те:;-

Б

нологических параметров процесса ЦРО.

На основе этого была сформулирована цель я определены задачи исследований:

- разработать физическую модель образования тороидально-винтового потока рабочей среды;-

- теоретически исследовать процесс съема металла с поверхности детали при ЦРО;

- разработать модель формирования шероховатости поверхности детали и износа абразивной среды в зависимости от режимов обработки;

- разработать оптимальные технологические рзгимы обработки для получения заданной шероховатости поверхности с учетом рационального использования абразивной среды;

- разработать пути интенсификации процесса ЦРО.

Ш второй главе дано обоснование образования тороидально-винтового потока рабочей среды, который рассматривается как вязкая несжимаемая жидкость, описываемая уравнениями Назье-Стокса к неразрывности потока.

Прчнимач двухслойную модель загрузки тороидально-винтового потока, рассматривая перемещения срзды из кганего слоя в верхний я учитывая потери напора потока реадъкой ср-эды та тресте, получаем:

со р V

1 ° 1 Г 2я (1,

0} р 1

= 2 + —Д. ( !1г - г2 ) + —£ + + Ь .

2 2д 01 г 2я

где т.х, гг - геометрические высоты соответствующие сечений; р,. рг - давления штока в соответствующих сечениях; у^, уг - средние скорости потока в соответствующих сечениях;

"л - угловая скорость вращения потока; а г ускорение свободного падения;

- раякус обечайки рабочей камеры;

г1> гг " текувде радиусы соответствующих сечений; Г' - удельный вес потока среды;

- потеря удельной энергии потока на данном участке.

Анализ кинематики тороидально-винтового потока и знергооб-мен в потоке рабочей среды произведен с учетом некоторого элементарного кольцевого слоя потока. Такой кольцевой слой наделяется следующими свойствами: он непроницаем для частиц соседних слоев; его кинематика адекватна кинематике всего потока. В соответствии с приадипом сохранения энергии работа, развиваемая вращающимся дном (рабочим колесом), расходуется на приращение энергии потока рабочей среды. Мощность рабочего колеса:

N = М_ « и> ( 2 ) •

Т а

где «г - момент взаимодействия рабочего колеса с тороидально-винтовым потоком.

Вес сплошной среды, подаваемый рабочим колесом в секунду:

С = р « д * О , (3)

где р - плотность среды;

д - ускорение свободного падения; а - расход среды, подаваемый рабочим колесом.

Тогда удельная энергия, приходящаяся в единицу времени на I Н веса среды:

N -

е = - = --( 4 )

в р м д я О

Установлено выражение градиента скорости для элементарного кольцевого слоя радиуса г :

<1<Л)

о = г -( 5 )

« <3г

Получена зависимость, определяющая момент вязкостного сопротивления:

аы

м = -2 п ь р г3 —: . ( Б )

аг

в

где h M

- высота цшшнярячоского потока среды;

- динамическая коэффициент вязкости среды потока.

Разделяя переменные п интегрируя вырагеша (G), кагодам ура-втоЕэагиагксдаЯ момент вязкостного сопротивления:

2 п Ц 6>, ( R* - rV

м = -а.--, { 7 )

где к - радиус средней окружности тора; г - радиус окружности сечения тора.

Найдена завись:ость для определения давления создаваемого, напором тороидально -винтового потока:

2 п Ц «о" С И* - г*)ш

Р ---8- , ( з )

й <2

Получено выразеняе дгл опредзлгтая нормальной селу, действующей па поверхность заготовка

2 п и 0>Х ( г.1 - г1)2 Б

г = -!-—л--2 С 9 >

" КО

l'w

Для случая абразивного пзнэйа пргг- ПРО петита медаль Арчарда . в которой износ представляет собой процесс сгека материала при относительном скольгзнил двуа коятактирушпх по верхностей:

У: а

l f

С 10 )

Где у - ооъем мэташи, удаляемого с мягкой поверхности в процессе износа; I* - путь скольжегвк; г - нормальная сила;

п *

сгт - предел текучести мягкого чатерягла:

к - коэМс.цЖ'НТ износа; о! - ког№тте!гг. уг,т:::

У!:'.!' ^глдо^'Кчг:!

v

т

Принимая некоторые -допущения определен путь скольгения детали в тороидально-винтовом потоке за время обработки t :

и = 2 тг I пз ] к2 + Г2 . ( II )

где пя - частота вращения заготовки.

Подставляя полученные■значения пути скольжения СП) и нормальной силы (9) в формулу (10) и переходя от объема к массе, получена зависимость для определения съема металла с обрабатываемой поверхности ври ЦРО:

4 TT* t n IU w2 p Jr2 + r2 (R2 - rV q = k а к -2-D_J-s , ( 12)

к 3

R Q

т

где kR - коэффициент, учитывающий влияние зернистости абразивной гранулы на фактическую площадь контакта потока с поверхностью детали;

Р8 - плотность материала детали.

В третьей главе излоаена методика экспериментальных исследований. Эксперименты проводились на установке с объемом рабочей камеры 7 дм3. Частота вращения дна регистрировалась тахометром модели ТЧ 10-Р. Измерение . съема металла осуществлялось весовым способом с использованием аналитических, весов типа BJIA-200, измерение износа абразивного материала также производилось весовым способом. Измерение шероховатости поверхности осуществлялось на профилометре модели 296. Помимо промышленных приборов применялись оригинальные конструкции: электровискозиметр, для определения величины коэффициента динамической вязкости и устройство для определения угловой скорости, вращения тороидально-винтового потока. При выборе материалов для образцов руководствовались практикой ira , широкого применения в машиностроении и сопоставлением обрабатываемости "мягкого" и "твердого" материалов. Образцы изготавливались из пруткового проката, отобранного в определенном диапазоне механических свойств: сталь 3От= 250 МПа), сталь 45 =353-МПа}. сталь 45 (о*т= 60Q. МПа). сталь БОГ

1D

(егт= 400 МПа). латунь ЛС59-1 (о"т= 300 МПа), алюминиевый сплав Д-16 (о-т=250 МПа). В-качестве рабочих сред использовались формованные и природные абразивные материалы, грануляцией 5-30 мм, зернистостью М14-20. В качестве технологической жидкости использовался 5« раствор кальцинированной соды. Для реализации влияния режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды реализован дробный факторный эксперимент с полурепликой 25"1.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований. Определено влияние режимов обработки, характеристик абразива, механических свойств обрабатываемых материалов на съем металла. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследовангй показывает, что предложенная модель адекватна и позволяет с достаточной степенью точности прогнозировать съем металла при ПРО.

Характерной особенностью ЦРО является сравнительно высокая интенсивность износа абразива. Поэтому для. различных абразивных сред определены следующие эксплуатационные показатели: износостойкость, режущая способность,расход абразивных гранул и коэффициент обработки.-

В результате экспериментальных исследований по формированию шероховатости поверхности выявлено а1 существенное преимущество ЦРО перед другими методами обработки : возможность совмещения двух и более технологических переходов в один, выполняемый на одном технологическом оборудовании при одной.загрузке( варьируется при этом лишь угловая скорость вращения . рис.2).

Поверхность, полученная при ЦРО, отличается высокой степенью однородности и зависит от режимов обработки. Одну и ту же шероховатость поверхности можно получить при различных сочетаниях параметров процесса с использованием абразивных сред различной характеристики. Поэтому, для достижения заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды потребовалось проведение соответствующих исследований, которые решались путем постановки дробного факторного эксперимента с полу-реппякой г9"1.. В качестве параметра оптимизации были пргашты шероховатость поверхности «г» (мкм) и износ абразивной среды I (« / час). Результаты экспериментов при обработке стали 45 представлены следующими выражениями:

МКМ

%О

(О

о<Г

5* /О 20 ^ Мин

Рис. 2. Влияние временя обработки на шероховатость поверхности при совмещенном процессе:

1 - грубая обработка при ы = 50 с ;

-1

2 - тонкая обработка при и = 20 с .

* = 0.607107 + 0'.495585 X. + 0.4Э4587 X + 0.04625 X -

По 1

- 0,104584 X, - 0.0764699 - 0.0486601*/э + + 0,2234898 X* * 0.1324376 X* + 0.238323Э X* + (13) + 0,1931557 к"

= 10.942393 + 4,717533 \ * 3.793364 *3 + 1.066675 Х4 + 4- 2,279185 Х3 + 2.894331 + 0.744437 + + 1.565972 хх, + 1.017439Х,Хв + 0,577602'+ (14) + 0.582658 + 1,353б37Хяхв + 0.341253ХД, +. 0.705872 X* - 1.567921 X* - 1.1933 х* ,

-2 -f о i г **

Рис. з. Сечения поверхностей откликов *Вв и у, при

х =OCMcj/M*=IO). х =0(«l=I0), х =0(И=0.1 химии);

I 4 ' 9

1.2,3,4,5,6,7,8 - шероховатость поверхности соответственно 0.2;0.4; 0.6; 0.8;I.0;I.2;I.4;I,6 ЫКМ; 1.II,nr.IV,v - износ абразивной среды соответственно 7; 8; 9; II; 13 н^чар

где х4 - угловая скорость вращения дна;

*г - отношение массы детали к массе гранулы;

хз - зернистость абразивной среды;

х4 - грануляция абразивной среды;

ха - интенсивность подачи технологической жидкости.

Дальнейшие исследования бьши направлены на определение условий процесса, обеспечивающих получение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды, то есть нахождения условного минимума * при ог-

раничениях. наложенных функцией у^ Решение указанной задачи осуществлялось графическим способом путем построения двухмерных сечений поверхностей отклика Ука, совмещенных с двухмерными 'сечениями поверхностей отклика у и выборе условных экстремумов.

С помощью полученных совмещенных двухмерных сечений поверхностей откликов *Ва и * ( рис. 3) можно назтчать режимы обра1 бот1ш, обеспечивающие достижение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды. Полученные режимы по всем исследуемым материалам сведены в инженерное" таблицы.

2 пятой главе на основании проведенных исследований разработана методика расчета съема металла, основного и штучного времени при ЦРО.

Приведены примеры расчета технологических процессов на операциях удаления заусенцев и полирования.

Описано практическое применение результатов исследований. -

Разработаны пути интенсификации процесса и предложен новый способ ЦРО, на который получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретете.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. Разработана двухслойная модель образования тороидально-Бинтового потока обрабатывающей среды, отражающая физическую сущность процесса, описанная системой дифференциальных уравнений.

2. В результате теоретических исследований и принятой модели износа обрабатываемой поверхности при контактном взаимодействии с абразивным потоком установлено, что съем металла зависит от сил нормального давления, действующих на поверхность детали, физико-механических свойств обрабатываемого материала, характеристик абразива, пути скольжения детали, реологических свойств потока.

3. На основании принятой модели износа и теоретических исследований получена расчетная зависимость для определения съема металла с поверхности детали в условиях ЦРО.

4. Экспериментально подтверждено, что предложенная зависимость позволяет с достаточной степенью точности прогнозировать

съем металла в условиях ЦРО.

5. По результатам экспериментальных исследований установлено влияние режимов ' обработки и характеристик обрабатывавшей среды на съем металла.

6. На основе использования методов планирования эксперимента получены зависимости, отражающие влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и изноо абразивной среды.

7. Оптимизация полученных зависимостей позволила установить режимы обработки, обеспечивающие получение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды.

8. Разработана методика расчета основных технологических параметров процесса, позволяющая определить съем металла при ЦРО, время, необходимое для получения заданной шероховатости поверхности, или время для удаления заусенцев.

9. Результаты исследований прошли промышленное испытание, показавшее экономическую целесообразность предложенного технологического процесса ЦРО, позволяющую получить более высокое качество обработанной поверхности, улучзение товарного вида изделий, и рекомендованы для внедрения в производство.

10. При разработке данного метода получено " Решение о выдаче патента на изобретение ".

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Бабичев А. П. , Давыдова И. В. Особенности обработки деталей в центробежно-ротационных условиях // Остаточные напряжения резерв прочности в машиностроении: Тез. докл. коиф. - Ростов и/Я. 1991. - с. 91-92.

2. Бабичев А. П. , Давьщова И. В. Динамические характеристики тороидально-винтового потока обрабатывающей среды при центробежно- ротационной обработке // Совершенствование и развитие от-делочно-зачистной, финишной и поверхностно-пластической обработки деталей: Тез. докл. - Винница, 1992.- с. 40.

3. Бабичев А. П.. Давыдова И. В., Давыдова Т. В. Энергетический подход к образованию тороидально-винтового потока при цен-тробежно-ротяционной обработке // Вопросы вибрационной технологии: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов н/Д , 1933.-с. 3-6.

4. Давыдова И. В. . Григорьев В. А. Исследование кзггоса абра-

Г5

зивной среды при центробежно-ротационной обрабоке // Вопросы вибрационной технологии: Межвуз.'сб. научн. тр.* - Ростов-н/Д.1393. - с. 155-158.

5. Бабичев А. П.. Давьщова И. В. Исследование формирования установившейся шероховатости поверхности при центробежно-ротаци-ошюй обработке // Совершенствование и развитие отделочно-зачн-стной. финишной и поверхностно-пластической обработки деталей: Тез. докл. - Винница. 1994.

6. Решение о вьщаче патента на изобретение. МКИ 5 В 24 В 31/ 108. Способ объемной центробежной обработки деталей / Ю. А,Акку-димов, А. П. Бабичев, И. В.Давыдова и др. - № 5020791/08 (061073); Заявл. 08.07. 91.