Снижение погрешности шероховатости, наклепа и остаточных напряжений при виброударной обработке деталей

Актуальность темы

диссертации. В современном машиностроении для финишной отделочно-упрочняющей обработки крупногабаритных деталей сложной формы типа балок, лонжеронов, силовых панелей, рельс закрылков, крыльчаток и дисков скоростных турбин и компрессоров, которые работают в условиях интенсивных динамических нагрузок, используются технологии виброабразивной обработки и виброударного упрочнения, обеспечивающие снижение высотных параметров микронеровностей с Яа5 до Яа 1,25−0,63 мкм, формирование наклепа до 8−15% и сжимающих остаточных напряжений до 450−650 МПа на глубину до 250−420 мкм, повышение усталостной прочности (для стали 30ХГСНА) на 15−20% и усталостной долговечности в 1,5−2,5 раза, износостойкости в 2−3 раза (большие значения соответствуют виброударному упрочнению).

Особенностью процессов виброабразивной обработки и виброударного упрочнения является отсутствие кинематической связи инструментальной среды с деталью и станком, а также ее способность приобретать под действием интенсивных колебаний форму обрабатываемой детали. Эти особенности дают возможность производить отделочно-упрочняющую обработку деталей сложной формы, в том числе с недоступными поверхностями для закрепленного лезвийного и абразивного инструментов, однако обуславливают возникновение погрешностей съема металла, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений.

Погрешности формирования поверхностного слоя у деталей сложной формы проявляются по разному. У деталей типа шатунов и силовых кронштейном погрешности формирования остаточных напряжений вызывают погрешности расположения сопрягаемых отверстий, а — шероховатости снижение усталостной прочности и долговечности. У высокоскоростных крыльчаток и дисков погрешности остаточных напряжений вызывают деформацию торцевой стенки и осевую неуравновешенность, а погрешности шероховатости — вызывают повышенное гидравлическое сопротивлений и турбулентность [56]. У цельно фрезерованных панелей и силовых балок — помимо снижения прочности, погрешности остаточных напряжений вызывают коробление и необходимость выполнения дополнительных, пригоночных и регулировочных работ при сборке в стапеле.

Поэтому для крупногабаритных деталей сложной формы, особенно с малой изгибной жесткостью, снижение погрешностей указанных технологических параметров при виброударной обработке до нормативно-допустимых значений является актуальной проблемой.

Одной из причин возникновения погрешностей при виброударной обработке деталей сложной формы является низкая точность проектирования технологии, которая в настоящее время выполняется методом аналогов, когда поиск рациональных режимов осуществляется приближенно расчетами и более точно — за счет многократной экспериментальной отработки процесса по образцам свидетелям вначале на макетах, в последующем — на натурных деталях. Это снижает технологические возможности процесссов виброударной обработки, увеличивает время и затраты на отработку технологии и подготовку производства, повышает риск возникновения брака дорогостоящих деталей.

В практике машиностроительного производства снижение погрешностей при виброударной обработке обеспечивается за счет равномерного вращения или переустановки деталей сложной формы в контейнере. Для крупногабаритных деталей с малой изгибной жесткостью оба метода не эффективны: первый — в связи с конструктивной сложностью, малым ресурсом и низкой надежностью оснастки, второй — в связи с большим временем вспомогательных работ, необходимых для переустановки деталей и перезагрузки инструментальной среды.

Основной причиной возникновения погрешностей при виброударной обработке, как показали исследования настоящей диссертационной работы, являются неравномерности скоростных и энергетических параметров периодических соударений инструментальной среды с деталью и станком, которая обуславливается неравномерностью динамических зазоров и скорости периодических перемещений частиц инструмента, фазового угла и массы соударяющейся группы частиц в разных зонах детали.

В настоящее время механизм и закономерности образования погрешностей при виброударной обработке изучен недостаточно, не установлены закономерности возникновения погрешностей, не определены закономерности влияния режимов обработки на погрешностине найдены эффективные методы снижения погрешностей. Ранее разработанные теоретические методы исследования процесса, основанные на интегральных упруго-вязко-пластических свойствах инструментальной среды, не позволяют учитывать размеры и форму обрабатываемых деталей. Исследования погрешностей виброударной обработки сопряжены со многими вероятностными явлениями, методика расчета не должна давать погрешности более 20−30% от номинальных значений исследуемых технологических параметров процесса.

Последнее обстоятельство потребовало разработки нового аналитического метода исследования и численного моделирования погрешностей процесса на персональных компьютерах с большим быстродействием, учитывающего размеры, форму и расположение поверхностей обрабатываемых деталей сложной формы, не требующего трудоемких предварительных экспериментальных исследований, обладающего меньшей погрешностью чем другие методы, не превышающей 25−30% от номинальных значений технологических параметров.

В диссертационной работе теоретическими исследованиями установлено и экспериментами подтверждено, что за счет смены траекторий колебаний с шагом 20−45° с интервалом времени не более 7,5−18 минут обработки погрешности снижаются до допустимых пределов: съема метала с 39−106% до.

26−47%, среднеарифметической высоты микронеровностей с 19−73% до 1251%, степени наклепа с 12−20% до 5−12%, глубины наклепа с 13−20% до 512%, сжимающих остаточных напряжений с 10−18% до 6−10%. Меньшие значения — достигаются с большей вероятностью при оптимальном шаге угла и интервале времени смены траектории, при оптимальном поджатии инструментальной среды.

В связи с недостаточной точностью современных методов аналитического определения погрешностей, отработка технологий виброударной обработки производится экспериментально методом проб и ошибок на натурных деталях по образцам-свидетелям, что связано со значительной трудоемкостью и риском возникновения брака дорогостоящих деталей.

В производстве снижение погрешностей осуществляется за счет принудительного равномерного вращения детали. Для деталей не симметричной формы, типа рельс закрылков и др., использовать вращение не представляется возможным, поэтому применяют многократную переустановку. Оба метода не эффективны: первый — в связи со сложностью конструкции оснастки и малым ресурсом подшипников, второй — в связи с большим временем вспомогательных операций.

В связи с изложенным, тема настоящей диссертационной работы актуальна, а выбранное направление исследований, учитывая возрастающую стоимость экспериментов и ограниченность применения результатов одним типом деталей, повышение точности компьютерного моделирования, соответствует современным тенденциям развития наукоемких информационных технологий в современном машиностроении.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой № 2001.15 номер государственной регистрации 01.200.1 17 673 «Совершенствование технологии механической и физико-технической обработки деталей машин» и основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракето-космической технике» .

Целью работы является снижение погрешности шероховатости, наклепа и остаточных напряжений при виброударной обработке без предварительных экспериментов, за счет смены траекторий и поджатая инструментальной среды, на основе метода математического моделирования, учитывающего размеры, форму и расположение поверхностей деталей сложной формы.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи;

— Разработка метода математического моделирования процесса виброударной обработки с учетом размеров, формы и расположения поверхностей деталей сложной формы, обеспечивающего снижение погрешностей до допустимых значений за счет более достоверного определения режимов обработки.

— Теоретическое исследование влияния смены траекторий перемещений детали и поджатая инструментальной среды на погрешности высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, остаточных напряжений на различных участках детали.

— Экспериментальная проверка достоверности метода математического моделирования и аналитического определения погрешностей виброударной обработки силовой балки.

— Разработка технологических рекомендаций по снижению погрешностей деталей сложной формы.

Методы исследования. При теоретических исследованиях погрешностей применяются методы математического моделирования и механики, операционные системы Ое1рЫ-6, МаШСАО 2000, программный комплекс Огап-Моэ и разработанные программы. В качестве средства снижения погрешностей используется смена траекторий. Для оценки достоверности математического моделирования используются экспериментальные исследования на макетах и натурных деталях по образцам из стали 30ХГСНА, алюминиевого и титанового сплавов Д16Т и ОТ4.

На защиту выносятся:

— Метод численного моделирования режимов и снижения погрешностей скоростных и энергетических параметров частиц инструментальной среды, технологических параметров виброударной обработки для любого участка детали сложной формы с учетом формы и расположения ее поверхностей.

— Закономерности влияния смены различных траекторий периодических перемещений обрабатываемой детали и поджатая инструментальной среды на погрешности скоростных и энергетических параметров конечного множества частиц инструментальной средына режимы и погрешности съема металла, среднеарифметической высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, сжимающих остаточных напряжений.

— Результаты экспериментального исследования достоверности метода численного моделирования процесса виброударного упрочнения.

— Технологические рекомендации по определению режимов и снижению погрешностей виброударной обработки деталей сложной формы за счет оптимальных углов и времени смены траектории периодических перемещений детали и поджатая инструментальной среды.

Научная новизна работы.

1. Построена геометрическая модель виброупрочняющей технологической системы станок — инструмент — деталь, отличающаяся тем, что для учета размеров, формы и расположения поверхностей, деталь сложной формы строится в масштабе в сечениях, расположенных в плоскости колебаний, из отрезков прямых, кривых второго-третьего порядка, а свободное пространство между ними заполняется конечным множеством частиц инструментальной среды с зазорами.

2. Разработана математическая модель периодических соударений частиц инструментальной среды с различными участками детали сложной и формы, отличающаяся тем, что для достоверного численного моделирования без предварительных экспериментов упруго-диссипативные, зазорные и массовые характеристики, время и координаты положения частиц и участков детали вычисляются с малым дискретным временным шагом посредством фазовых траекторий и приоритетного интегрирования.

3. Разработана математическая модель формирования погрешностей среднеарифметической высоты микронеровностей, степени и глубины наклепа, сжимающих остаточных напряжений на различных участках поверхности детали, отличающаяся тем, что процесс моделируются в поперечных сечениях детали в плоскости колебаний, а в продольных сечениях осуществляется выборка соответствующих параметров из поперечных сечений, по которым определяются погрешности для любой поверхности детали с учетом ее размеров, формы, расположения, исходного состояния и физико-механических свойств.

4. Установлено, что основными причины возникновения погрешностей являются отсутствие кинематической связи инструментальной среды с деталью и станком, неравномерность динамической плотности частиц, скорости и фазы их периодических соударений с различными участками детали.

5. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что за счет смены траекторий периодических перемещений детали на угол не более утла ударного трения, равного от 23*30° до 45°, через 3−7,5 мин. обработки при поджатии инструментальной среды п = 0,03−0,05 (аш2^) обеспечивается снижение погрешностей виброударной обработки с закреплением без вращения детали до допустимых значений, соизмеримых с погрешностями при ее равномерном вращении, с повышением ресурса оснастки в 5−7 раз.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений теоретических исследований, применением апробированных методов математики и механикиэкспериментальными исследованиями процесса виброударной обработки для различных материалов и деталей.

Практическая значимость и реализация результатов. Разработанный метод численного моделирования повышает в полтора — три раза точность аналитического определения режимов виброударной обработкиснижает относительные погрешности высоты микронеровностей с 19−73% до 12−51%, степени наклепа с 12−20% до 5−12%, остаточных напряжений с 66 112% до 9−14% - соизмеримых для случая с равномерным вращением деталей и в 1,5−2,4 раза меньших, чем при обработке без вращения, повышает равно прочность и эксплуатационные показатели деталейснижает затраты на отработку технологии.

Программный продукт и технологические рекомендации переданы в НИИАСПК для последующего использования и совместного внедрения при проектировании технологий виброударной обработки, материалы диссертации применяются в учебном процессе ВГТУ по курсу «Технология машиностроения «и дипломном и курсовом проектировании.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались:

— на научно-технических семинарах «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях». Ростов-на-Дону, 2000, 2001, 2004 г.;

— 2-й международной научно-технической конференции «Разработка, производство и эксплуатация турбонасосных агрегатов и систем на их основе». Воронеж. 2003 г.;

— 7-й международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем». Саратов. 2004 г.;

— 5-й международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения». Орел. 2004 г. и др.;

— на научных конференциях кафедры «Технология машиностроения» в 2000;2004 г. Воронеж;

— на специализированном семинаре ведущей научной школы по исследуемой проблеме на кафедре «Технология машиностроения» в Донском государственном техническом университете в 2004 году.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 6 без соавторов, 2 в центральной печати.

Личный вклад автора: [53] - вычислены параметры шероховатости, остаточных напряжений и наклепа, [54] - определены экспериментальные и теоретические погрешности- [55] - сделан анализ влияния виброударного упрочнения на эксплуатационные свойства- [58] - выполнено моделирования виброударной обработки.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложенных на 183 страницахсодержит 86 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 123 наименований и 4 приложения на 12-х листах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан метод математического моделирования и аналитического определения погрешностей шероховатости, наклепа и остаточных напряжений виброударной обработки с учетом размеров, формы и расположения поверхностей, обеспечивающий снижение погрешностей без предварительных экспериментов до допустимых значений за счет смены траекторий и поджатая инструментальной среды.

2. Определены закономерности влияния отсутствия кинематической связи инструментальной среды с деталью и станком, неравномерности плотности частиц, скорости, фазы и энергии периодических соударений инструментальной среды с деталью на образование погрешностей.

3. При виброударной обработке без смены траектории и без вращения детали возникают погрешности скорости частиц АУ^ =33,6−80,1%, скорости соударений частиц с деталью АУ* = 58,7 — 72,4%- массы группы частиц.

Дт * = 35,1 -124,0%- энергии соударений АЭ* = 81,3 -145,0%.

4. Теоретически установлено, что за счет оптимальной смены траекторий через 7,5−15 мин. и угол не более угла ударного трения от 20 -25°до 45°, 9 поджатая П = 0,03-ь 0,05 (Aco /g), погрешности по всем динамическим параметрам снижаются: AV^ = 40,3 — 46,2%, AV* = 22,3 — 39,2%;

Am* =14,2−16,9%- АЭ* = 55,6 -135,0%.

5. Выявлено, что при виброударной обработке без смены траекторий и без вращения деталей возникают погрешности технологических параметров выше допустимых: высоты микронеровностей ARz* = 19,44 ч- 73,62%- наклепа AHU* = 12,27 -5- 20,03%, напряжений Да* = 9,47 ч-17,84%.

6. За счет смены траекторий на угол ударного трения 20−45° через 37,5 мин. с поджатием П = 0,03-i-0,05 (Aco/g) погрешности снижаются до следующих величин: высоты микронеровностей ДИг*р = 11,78 + 51,23%, степени наклепа AHUcp = 5,04 +11,75%, напряжений Да0ср = 5,56 6,67%.

7. Экспериментально установлена более высокая достоверность разработанного метода определения погрешностей: несовпадение теоретических и экспериментальных погрешностей составляет: =32−61%;

ДНи*/э =13−77%- ДЬним/э =10″ 59%" Аам/э = 7~43%. Ранее разработанные методы имеют более значительное несовпадение: 140−200%.

8. Разработанный метод математического моделирования снижает в полтора — два и более раза погрешности технологических параметров виброударной обработки, что повысит равнопрочность и другие эксплуатационные показатели деталей, снизятся затраты и сроки на отработку технологий в производстве.