Моделювання термомеханічних процесів на фінішних операціях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Моделювання термомеханічних процесів на фінішних операціях

Богач Андрій Олександрович

АНОТАЦІЯ

Богач А.О. Моделювання термомеханічних процесів на фінішних операціях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - Технологія машинобудування. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1998.

Дисертація присвячена питанням розробки теорії та нормативних рекомендацій по технологічним методам суттєвого зниження шліфовочних тріщин при обробці виробів із магнітотвердих матеріалів та сплавів, поверхневий шар яких має спадкоємні дефекти структурного або технологічного походження.

Розроблено математичну модель, яка описує термомеханічні явища у поверхневому шарі при шліфуванні виробів із матеріалів та сплавів з урахуванням їх неоднорідностей, які впливають на інтенсивність формування шліфовочних тріщин. Одержані розрахункові залежності між критерієм тріщиностійкості та основними управляючими технологічними параметрами. По відомим характеристикам спадкоємніх дефектів визначені граничні значення теплового потоку, що забеспечують необхідну якість шліфуємих поверхонь. Результати роботы пройшли виробничу апробацію.

Ключові слова: шліфування, магнітотверді сплави, тепловий потік, тріщиностійкість, стабілізація.

шліфовочний тріщина поверхня

АННОТАЦИЯ

Богач А.А. Моделирование термомеханических процессов на финишных операциях. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена вопросам разработки теории и нормативных рекомендаций по технологическим методам существенного снижения шлифовочных трещин при обработке деталей из магнитотвердых материалов и сплавов, поверхностный слой которых имеет наследственные дефекты структурного или технологического происхождения.

Разработана математическая модель, описывающая термомеханические процессы в поверхностном слое при шлифовании деталей из материалов и сплавов с учетом их неоднородностей, влияющих на интенсивность формирования шлифовочных трещин. Получены расчетные зависимости между критерием трещиностойкости и основными управляющими технологическими параметрами. По известным характеристикам наследственных дефектов определены предельные значения теплового потока обеспечивающие требуемое качество шлифуемых поверхностей. Результаты работы прошли производственную апробацию.

Ключевые слова: шлифование, магнитотвердые сплавы, тепловой поток, трещиностойкость, стабилизация.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Шліфування, будучи для багатьох деталей завершальною технологічною операцією, яка покликана забезпечити істотне підвищення експлуатаційних властивостей за рахунок високої точності та незначної шорсткості оброблених поверхонь супроводжується високотемпературним впливом, що інколи приводить до появи припалів і обумовленного ними браку виробів в наслідок утворення тріщин.

Зниження браку при шліфуванні магнітотвердих матеріалів, підвищення експлуатаційних властивостей виробів з цих матеріалів є важливою народно-господарською задачею, рішення якої забезпечує значну економію матеріальних ресурсів, трудомісткості і собівартості виготовлення деталей.

Метою цієї роботи є розробка теорії і нормативних рекомендацій по технологічних засобах істотного зниження шліфувальних тріщин при обробці деталей з магнітотвердих матеріалів і сплавів, поверхневий шар яких має спадкові дефекти структурного або технологічного походження.

В роботі вирішені наступні задачі.

Вивчено механізм формування шліфувальних тріщин в поверхневому шарі матеріалів і сплавів, що мають нахил до тріщиноутворення при алмазно-абразивній обробці, з врахуванням попередніх операцій і їх спадкових неоднорідностей. Розроблена математична модель, що описує термомеханічні процеси в поверхневому шарі при шліфуванні деталей з матеріалів і сплавів з врахуванням їх неоднорідностей, і здатності впливати на інтенсивність формування шліфувальних тріщин. Отримані розрахункові залежності критерію тріщиностійкості від основних технологічних параметрів. Отримана інженерна методика обгрунтованого вибору технологічних параметрів для бездефектного шліфування магнітотвердих матеріалів і сплавів, особливо схильних до тріщиноутворення.

Автор захищає:

- результати розрахунково-теоретичних досліджень по виявленню зародження і розвитку шліфувальних тріщин під дією термомеханічних явищ, що супроводжують обробку шліфуванням;

- закономірності і результати визначення впливу технологічних параметрів на тріщиностійкість поверхневого шару;

- закономірності і результати визначення оптимальних параметрів, що забезпечують належну якість оброблюваних поверхонь.

Реалізація поставленої мети може бути досягнута при рішенні наступних задач:

1. Розробити математичну модель, що описує термомеханичні процеси в поверхневому шарі при шліфуванні виробів з крихких матеріалів з врахуванням їх неоднородностей.

2. Встановити критерії тріщиноутворення і їх зв'язок з параметрами досліджуваного технологічного процесу шліфування.

3. Вивчити технологічні можливості управління якістю поверхневого шару деталей з допомогою встановлених зв'язків між физико-механічними властивостями матеріалів, їх структурою, режимами шліфування.

4. Опробувати основні результати наукових досліджень на виробах з магнітотвердих матеріалів, які особливо схильні до тріщиноутворення.

Рішення означених задач дозволить вирішити пряму технологічну задачу фінішної обробки - забезпечення бездефектного шліфування крихких матеріалів, схильних до тріщиноутворення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на базі тематичних планів НДР Одеського державного політехнічного університету на 1997-1998 роки.

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішено наукову задачу по встановленню розрахункових залежностей, що визначають вплив спадкових дефектів від попередніх операцій на тріщиностійкість поверхневого шару при шліфуванні, по визначенню оптимальних технологічних параметрів обробки з врахуванням накопичених дефектів і неоднорідностей в поверхневому шарі матеріалів і сплавів, схильних до тріщиноутворення в процесі шліфування.

При цьому отримані наступні нові наукові результати:

1. Встановлено вплив технологічної і структурної неоднорідності матеріалів на механізм зарождения і розвитку шліфувальних тріщин під впливом термомеханічних явищ, що супроводжують алмазно-абразивну обробку.

2. Розроблено математичну модель по визначенню граничних значень інтенсивності тепловиділення в зоні контакту інструмента з оброблюваним матеріалом, при яких структурні неоднорідності зберігають стан рівноваги і буде відстуній процес зародження шліфувальних тріщин.

3. Спроектовано принципово нові прилади автоматичної стабілізації якісних характеристик оброблюваних матеріалів з низькими механічними властивостями на базі ПЕОМ з відповідним програмним забезпеченням.

Отримані залежності в сукупності з експериментальними дослідженнями дозволяють теоретично визначати області поєднання технологічних параметрів, що забезпечують належну якість до оброблюваних поверхонь.

Практична цінність та реалізація результатів роботи. На підставі проведених теоретико-експериментальних досліджень вирішена задача підвищення експлуатаційних властивостей деталей з матеріалів і сплавів, що володіють низькими значеннями трещіностійкості, шляхом забезпечення технологічних умов, що не сприяють появі тріщин в поверхневому шарі при шліфуванні.

Розроблено:

Практичні рекомендації по проектуванню технології обробки деталей з матеріалів і сплавів, схильних до тріщиноутворення, що включають:

- нормативи режимів різання для технологічного нормування робіт на операції шліфування металів, поверхневй шар яких має спадкові дефекти, поява яких обумовлена засобами виготовлення та фазовыми і структурними змінами, що в свою чергу, пов'язано з режимами термічної, хіміко-термічної обробки і іншими операціями, які передують фінішній;

- алгоритми і комплекси програм для ЕОМ для проектування технологічного процесу бездефектного шліфування деталей, що виключає при обробці брак по тріщинах і припалах;

- методику вибору ріжучого інструмента для шліфування матеріалів, схильних до тріщиноутворення, по критерію граничного теплового потоку.

Означені результати досліджень реалізовані при виборі технологічних параметрів бездефектної обробки магнітотвердих сплавів типу ЮНДКТ, що володіють низькими механічними властивостями і гетерогенною структурою.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих засобів підвищення бездефектного шліфування деталей, у розробці математичної моделі та проектування технологічного процесу бездефектного шліфування деталей.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертації доповідалися, обговорені та схвалені на республіканських, зональных і вузівських науково-технічних конференціях і нарадах. Дисертаційна робота в цілому розглянута і схвалена на розширеному засіданні кафедри Вищої математики №2 за участю співробітників кафедр “Технологія машинобудування”, “Металоріжучі верстати і інструменти” Одеського державного політехнічного університету.

Публікації. Результати дисертації викладені у 9 публікаціях, в тому числі є 4 статті у фахових журналах.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, основних результатів і висновків, списку літератури з 125 найменувань і додатків, що містять методику експериментальних досліджень, документів про впровадження результатів дисертаційної роботи на промисловому підприємстві. Робота викладена на 127 сторінках машинопісного тексту, містить 26 малюнків, 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена важливість проблеми, її народно-господарське значення, актуальність питань, яким присв`ячена дисертація, поставлена мета роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист, і стисло викладений зміст роботи.

У першому розділі, що має допоміжний характер, наведено огляд літератури за станом розглядуваної проблеми. Операції шліфування застосовують для виготовлення виробів, до робочих поверхонь яких висуваються підвищені вимоги по точності, шорсткості, покликані істотно впливати на їх експлуатаційні властивості. До таких виробів відносяться деталі із зносостійкими покриттями, висококоерцитивні магніти типу ЮНДКТ, що використаються в сучасних електричних машинах, приладах, апаратах.

Спеціфічною особливістю операції шліфування є виділення великої кількості теплоти, основна частина якої сприймається деталлю, що обробляється, і викликає на окремих її ділянках структурні зміни - припали. Для великої групи металів і сплавів з низькими механічними властивостями, що не піддаються структурним перетворенням в процесі обробки, при шліфуванні характерним браком є дефекти типу тріщин, які істотно знижуються експлуатаційні властивості виробів.

Характер і інтенсивність тріщиноутворення значною мірою визначається теплофізичними властивостями матеріалів, що обробляються, їх структурою, спадкоємністю попередніх технологічних операцій, режимами шліфування, а також характеристиками застосовуваних шліфувальних кругів. При експлуатації деталей, поверхневий шар яких містить шліфувальні тріщини, руйнування виробів відбувається у місцях їх скупчення.

Тому задача визначення технологічних умов бездефектного шліфування і управління якістю поверхневого шару виробів з матеріалів, схильних до тріщино - і сколоутворення є актуальною. Це обумовлює необхідність вивчення механізму формування шліфувальних дефектів.

У другому розділі розглядається аналіз масштабних схем взаємодії круга з поверхнею, що обробляється. Показано, що кривизна круга і деталі в межах зони контакту несуттєво впливає на геометричну схему взаємодії круга з деталлю. Тому при створенні розрахункової схеми припускаємо, що деталь являє собою напівплощину.

Мал.1 Розрахункова схема для визначення термомеханічного стану при шліфуванні деталей із крихких матеріалів з періодичною системою гострокінцевих дефектів.

Розрахункова схема до задачі визначення термомеханічного стану при шліфуванні виробів з крихких матеріалів, в поверхневому шарі яких є неоднорідності типу включень і тріщин, наведена на мал. 1.

Система рівнянь, що визначає тепловий і напружений стан, що -деформованої оброблюваної поверхні деталей при шліфуванні, включає в себе:

а) рівняння нестаціонарної теплопровідності:

 ; (1)

б) рівняння пружності Ламе в переміщеннях:

(2)

(3)

в) початкові умови:

Т (x, y, 0)=0; (4)

г) граничні умови для температурних і деформаційних кіл:

|y| < a; (5)

|y| > a; (6)

(7)

д) умови розривності рішення:

На включеннях: На трещіноподібних дефектах

< >=0; < > 0; < >=0; < > 0;

< V >=0; < > 0; <>=0; < V> 0; (8)

Наявність в поверхневому шарі шліфованих виробів концентраторів напружень, до яких відносяться різноманітного роду дефекти, що привнесенні в процесі отримання заготовки і наступних видів обробки, принципово ускладнюють дослідження причин тріщиноутворення. Тому при визначенні гранично рівноважного стану шару, що деформується поверхнево, в класичні критерії міцності необхідно підставити значення компонент напружень і деформацій у вершині концентратора. Такий підхід використовується в механіці руйнування, де формулюються нові критерії міцності, що є певними інваріантами водночас як в моделях механіки суцільного середовища, так і в моделях, що враховують структурні особливості матеріалу. Для нашого випадку використаний критерій силового підходу, пов'язаний з використанням поняття коефіціента інтенсивності напружень (КІН). В найбільш загальному випадку розподіл деформацій в околиці т.0 контура тріщиноподібного дефекту представляється у вигляді суперпозиции 3-х приватних деформацій, відповідних трьом основним виглядам зміщення поверхонь тріщини: нормального відриву (1), поперечного (2) і поздовжнього (3) зрушень.

Коефіцієнти інтенсивності напружень К1, К2, К3 служать мірою сингулярності напружень біля вершини тріщиноподібного дефекту. Критичне значення інтенсивності напружень К є характеристикою матеріалу. Коли нагруження приводить до того, що інтенсивність напружень стає рівною критичній, то тріщиноподібний дефект перетворюється в магістральну тріщину. Критична напруга обернено пропорційно квадратному кореню з початкової довжини тріщиноподібного дефекту:

де 2l - початкова довжина тріщиноподібного дефекту.

Дослідження кінетики руйнування модельних матеріалів на заключних стадіях деформування при статичному розтязі гладких зразків, а також з концентраторами напружень дозволили отримати повні діаграми деформування, причому спадні ділянки цих діаграм відповідають окремим стадіям руйнування.

В третьому розділі проводиться аналіз отриманих результатів, що відображають особливості кинетики руйнування на етапах, які передують утворенню макротріщини. Вони можуть бути використані в якості вхідних фізичних передумов при створенні аналітичних моделей, що адекватно що описують процес зарождения тріщини.

Дослідження впливу технологічної спадковості на процес тріщиноутворення при шліфуванні магнітотвердих сплавів проводилося на основі отриманих критеріїв, що відображають особливості засобів плавки, режимів ТО, ТМО і при цьому морфології формування самих сплавів.

Аналіз структури технологічного процесу виготовлення магнітів є важливим етапом в виявленні резервів підвищення виходу придатних магнітів на операції остаточного шліфування, оскільки основні дефекти - тріщино - і сколоутворення виникають саме при остаточній обробці даних магнітів.

Домінуючими технологічними параметрами, що впливають на тріщиностійкість і контактну температуру, є глибина шліфування і характеристики круга.

На основі побудованої моделі вивчений механізм виникнення шліфувальних тріщин з позицій впливу геометрії і фізичних властивостей '-фази і її орієнтації по відношенню до направлення шліфування даних магнітів в висококоерцетивном стані.

Вивчення закономірності впливу інтенсивності теплового потоку, швидкості і часу дії теплового джерела на глибину і характер структурних перетворень безпосередньо при шліфуванні викликає значні труднощі, так як при вивченні одного з елементів режимів різання водночас змінюються декілька параметрів теплового процесу. В зв'язку з цим, представляється більш доцільним вивчати закономірності структурних перетворень, що виникають в результаті шліфування, при моделюванні їх лазерами, які дозволяють автономно змінювати кожний з параметрів теплового процесу.

Розрахунок температури для випадку одновимірної задачі, коли температура в будь-якій точці нижче площини z=0, на якій діє плоске джерело тепла напротязі деякого часу , може здійснуватися згідно наступній формулі:

T=. (9)

Звідси швидкість охолодження металу після закінчення дії теплового импульса:

(10)

Розробка технологічних критеріїв для управління процесом бездефектного шліфування здійснена на базі встановлених функціональних зв'язків між фізико-механічними властивостями оброблюваних матеріалів і основними технологічними параметрами.

Якість оброблених поверхонь буде забезпечено, якщо за допомогою керуючих технологічних параметрів підібрати такі режими обробки, МОР і характеристики інструмента, щоб поточні значення температури шліфування Т (х, у,) і теплового потоку q (у,), напружень і сил шліфування Р, Р, коефіцієнта інтенсивності К не переважали своїх граничних значень, при яких гарантується належна якість поверхневого шару.

Реалізація системи нерівностей, що обмежують по величинах як саму температуру, так і глибину її розповсюдження, у вигляді:

Т (х, у,)=, (11)

Т ([h], 0,)=, (12)

(13)

, (14)

дозволяє уникнути утворення шліфувальних припалів і може стати основою для проектування процесів шліфування по тепловому критерію.

Обробку матеріалів і сплавів без шліфувальних тріщин можна забезпечити, якщо обмежити граничними значеннями що формуються в зоні інтенсивного охолодження напруги:

(15)

У випадку домінуючого впливу спадкової неоднорідності на інтенсивність утворення шліфувальних тріщин необхідно користуватися критеріями, в структуру яких входять зв'язки ,що детермінувалися технологічними параметрами і властивостями самих неоднорідностей. В якості таких можна використати обмеження коефіціента інтенсивності напружень:

 , (16)

або забезпечення з допомогою технологічних параметрів граничного значення теплового потоку, при якому зберігається рівновага структурних дефектів:

(17)

Умови бездефектного шліфування можна реалізувати, використовуючи вірогідну інформацію про структуру обробленого матеріалу. Так, в випадку переважаючего характеру структурних недосконалостей довжиною 2l, їх регулярним розташуванням відносно зони контакту інструмента з деталлю, можна в якості критериального співвідношення використати умови рівноваги дефектів у вигляді:

(18)

В цій формулі технологічна частина пов'язує величини контактнї температури T з умовами шліфування.

Наведені нерівності дають увязку граничних характеристик температурного і силового полів з управляючими технологічними параметрами. Вони задають область поєднань технологічних параметрів (режимів, МОР, характеристик кругів), що задовольнять термомеханічні критерії процесу, що з властивостями матеріалу і гарантують забезпечення належної якості виробу.

На основі отриманих критеріальных співвідношень побудований алгоритм забезпечення якості поверхневого шару деталей при шліфуванні з врахуванням максимальної продуктивності обробки.

Розроблено принципову схему облаштування автоматичної стабилизації температури шліфування і якісних характеристик шліфованих деталей (мал. 2).

На відміну від відомих приладів схема, що пропонується, містить: 8-канальний 32-розрядний перетворювач з 32-розрядним драйвером, приєднуваний до паралельного порта. Крім того, є ще одна дуже важлива перевага для користувачів: всі керуючі функції об'єднані в DLL (Dynamic Link Libraries) і драйверов VxD так, що окрім загальнодоступних мов (наприклад, С++) до перетворювача можна звертатися з Excel (або з Word). Таким чином, не володіючи навиками програмування можна безпосереньо в програму електронних таблиць вводити складні вимірювальні процеси, легко і просто їх виконувати і відразу представляти в графічному вигляді.

При управлінні процесом шліфування інформація по глибині припалу, величині тимчасових напружень, про структурно-напружений стан поверхневого шару деталі, поточне значення сил різання, контактну і импульсну температури, напруження, значеня коефіцієнта тріщиностійкості в зоні шліфування надходять з виходів відповідних давачів в логічний блок вибору параметру управління і через відповідні ланцюги комп'ютера відповідні команди надходять на виконавчі органи верстату, де і відпрацьовуються граничні значення контрольованих величин.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Визначено значення критичного теплового потоку q* для системи періодичних структур матеріалів, які обробляються. Встановлено, що на величину q* впливають довжина, орієнтація і взаємне розташування магнітонесучих компонентів. Критичне значення теплового потоку q* має найменшу величину у випадку його перпендикулярності до магнітонесучої компоненти і на відстані =l/r 0.3 до іншої компоненти.

Проведений аналіз дослідження поетапності процесу руйнування дозволяє отримати не тільки якісну, але і кількісну інформацію про кінетику зарождення та розвитку руйнування в зв'язку з впливом виду напруженого стану.

3. Процес моделювання умов різання поодиноким зернятком можна проводити за допомогою лазерів, які при цьому дозволяють автономно впливати на параметри теплового процесу, що дає можливість більш обгрунтовано управляти механізмом формування властивостей поверхневого шару при алмазно-абразивній обробці.

З технологічних параметрів шліфування визначальними в появі шліфувальних тріщин є глибина різання і напрям обробки. Напруги, що формуються в поверхньому шарі, при обробці з більшими глибинами шліфування кругами, є розтягуючими, що сприяє інтенсивному процесу тріщиноутворення. КІН також збільшується із збільшенням глибини шліфування. При шліфуванні магнітотвердих сплавів в висококоерцетивному стані необхідно обирати обробку в напрямку ТМО, оскільки у цьому випадку через анізотропію тріщиностійкість вища, ніж у перпендикулярному. Це сприяє зниженню інтенсивності тріщиноутворення.

Аналіз причин тріщиноутворення при шліфуванні магніто-твердих сплавів дозволив встановити вплив технології їх виготовлення на механізм зарождення мікротріщин і розвиток їх в магістральні. Встановлено також вплив морфології і процентного вмісту неметалевих включень на інтенсивність появи шліфувальних тріщин. Обгрунтовано вибір критерію технологічної спадкоємності у вигляді критерію тріщиностійкості К.

Отримано залежності у сукупності з експериментальними дослідженнями дозволили теоретично визначити області поєднань технологічних параметрів, що забезпечують належну якість поверхонь, що обробляются. Побудовано алгоритм вибору цих параметрів з умови максимальної ефективності процесу шліфування. На основі побудованого алгоритму розроблено облаштування автоматичної стабілізації якісних характеристик шліфованих деталей.

СПИСОК ОПУБЛИІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Усов А.В., Богач А.А., Зеленый А.М., Иоргачев Д.В. Повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей из материалов, предрасположенных к трещинообразованию. // Журнал "Проблеми прочности" - 1998. - № 4. -С.93-105.

Богач А. Теоретико-экспериментальные рекомендации по устранению шлифовочных трещин при обработке постоянных магнитов. // Журнал "Перспективи" - 1998. - №2. - С.93-94.

Усов А.В., Богач А.А. Использование компьютерной среды для обеспечения качества шлифуемых изделий. // Журнал "Перспективи" (додаток) - 1998. - №2. - С.24-31.

Усов А.В., Богач А.А. Моделирование влияния регулярной неоднородности на термоупругие поля при шлифовании магнитотвердых сплавов ЮНДКТ. // Сборник "Труды Одесского политехнического университета" - 1998. - № 1(5). - С.152-154.

Богач А.О. Засоби виміру температур при механічній обробці. Депоноване 1.06. 96 ї825-ук96 в ГНТБ України.

Богач А.О., Усов А.В. Математичне моделювання температурного стану. // Праці міського семінару "Застосування обчислювальної техніки математичного моделювання в прикладних наукових дослідженнях" Одеса 1994. - з. 12-13.

Богач А.О., Усов А.В. Управління термоупругим станом конструктивних елементів ПЕОМ. // Праці Межд. Конф. "Комп'ютерні технології промисловості" Київ (п. Піщане) - 1994. - з. 19-20.

Богач А.О., Усов А.В. Моделювання термомеханических процесів при механічній обробці. // Праці Межд. Науково-технічної конф. "Математика психологія в педагогічній системі Технічний університет" Одеса - 1996. - з. 35-38.

Богач А.О., Усов А.В. Про структурну тривалість математичних модель термомеханических процесів при механічній обробці. // Збірка статей ”Праці молодих учених ОГПУ" Одеса - 1997 г. - з. 136-140.

Размещено на Allbest.ru