Технологічне забезпечення фізико-механічних параметрів поверхневих шарів металевих довгомірних циліндричних деталей вібраційно-відцентровим зміцненням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

КУСИЙ ЯРОСЛАВ МАРКІЯНОВИЧ

УДК 621.9.048.6

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологічне забезпечення фізико-механічних параметрів поверхневих шарів металевих довгомірних циліндричних деталей вібраційно-відцентровим зміцненням

05.02.08 - технологія машинобудування

Львів - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Афтаназів Іван Семенович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Котляров Валерій Павлович, Національний університет України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ), професор кафедри “Лазерна технологія, конструювання машин та матеріалознавства”;

кандидат технічних наук, доцент Третько Віталій Віталійович, Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький), доцент кафедри “Технологія машинобудування”.

Провідна установа - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного, м. Харків.

Захист відбудеться 20 листопада 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С.Бандери,12, ауд.226 гол. корп.).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. Професорська,1).

Автореферат розісланий 18 жовтня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищена трудомісткість виготовлення металевих довгомірних циліндричних деталей, які використовуються у конструкціях машин різноманітного призначення, обумовлена, переважно, специфікою їх будови (як правило, велика маса та лінійні розміри при незначній поперечній жорсткості). Ефективними технологічними методами підвищення довговічності й забезпечення надійності деталей машин є поверхневе зміцнення за допомогою різноманітних способів поверхневого пластичного деформування, особливо динамічних, які використовують для надання поверхневому шару необхідних фізико-механічних властивостей. Зміцнення зовнішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей може бути реалізоване деякими з відомих динамічних методів поверхневого пластичного деформування. Проте продуктивне та якісне зміцнення внутрішніх поверхонь металевих довгомірних деталей форми тіл обертання - задача особливо складна і стосовно саме довгомірних стержневих виробів значної довжини (до декількох метрів) практично не розв'язана. Проблематичною є і реалізація одночасного оброблення зовнішніх і внутрішніх поверхонь таких деталей відомими методами поверхневого зміцнення.

Недосконалість відомих технологій фінішних і викінчувально-зміцнювальних операцій висуває потребу у створенні нових прогресивних, продуктивних і високоефективних методів оброблення як зовнішніх, так і внутрішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей, зокрема із використанням вібраційного зміцнення. Це підтверджує актуальність даної роботи, спрямованої на розроблення методу зміцнення внутрішніх поверхонь металевих довгомірних стержневих виробів, визначення впливу основних технологічних параметрів викінчувальних операцій на фізико-механічні показники поверхневого шару матеріалу таких деталей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалась згідно з координаційним планом Комітету з питань науки і техніки та Міністерства освіти і науки України “Ресурсозберігаючі та ощадні технології” на 1995-2002 роки в рамках держбюджетної науково-дослідницької теми ДБ ”Концентратор” “Дослідження технології та розроблення оснащення для забезпечення надійності і довговічності деталей із концентраторами напружень” у Національному університеті “Львівська політехніка” на кафедрі “Технологія машинобудування” Інституту інженерної механіки та транспорту.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є створення та дослідження методу вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення (ВВЗО) та відповідного технологічного обладнання для забезпечення фізико-механічних параметрів поверхневих шарів металевих довгомірних циліндричних деталей і покращання їх експлуатаційних характеристик.

Для досягнення зазначеної мети сформульовані і розв'язані такі задачі:

1. Створення методу вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення поверхонь металевих довгомірних циліндричних деталей та принципових схем зміцнювальних пристроїв і допоміжного спорядження для його реалізації.

2. Дослідження динаміки зміцнювальних пристроїв із електромагнітним приводом при проведенні викінчувально-зміцнювального оброблення внутрішніх і зовнішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей за допомогою методу ВВЗО.

3. Розроблення методики визначення зусилля контактної взаємодії робочих органів вібраційних пристроїв із оброблюваною поверхнею, яке служить основною динамічною характеристикою процесу ВВЗО при використанні електромагнітних зміцнювальних пристроїв із пружними системами.

4. Проведення експериментальних досліджень для встановлення впливу основних технологічних параметрів методу ВВЗО при використанні електромагнітних зміцнювальних пристроїв на фізико-механічні параметри поверхневих шарів деталей.

5. Розроблення конструкцій електромагнітних пристроїв і допоміжного спорядження для вібраційно-відцентрового зміцнення зовнішніх і внутрішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей.

6. Створення методики розрахунків і прикладного програмного забезпечення для визначення оптимальних конструктивних параметрів електромагнітних зміцнювальних пристроїв із пружними системами.

Об'єкт дослідження - викінчувально-зміцнювальна технологічна операція і реалізуюче її устаткування для забезпечення фізико-механічних показників поверхневих шарів металевих довгомірних циліндричних деталей.

Предмет дослідження - метод і параметри вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення для технологічного забезпечення фізико-механічних показників поверхневих шарів металевих довгомірних циліндричних деталей.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження динаміки процесу ВВЗО проведено на основі теорії механічних коливань при математичному описі руху елементів зміцнювальних пристроїв для оброблення внутрішніх і зовнішніх довгомірних циліндричних деталей на підставі принципу Д'Аламбера, частотного аналізу та положень теорії диференційного числення з використанням методів незначного параметру А. Пуанкаре і А.М. Ляпунова. Експериментальні дослідження динаміки зміцнювального пристрою проводились з використанням вібровимірювального комплексу; вплив основних технологічних параметрів на фізико-механічні параметри якості поверхневого шару матеріалу аналізувався на основі теорії математичного планування експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

а) встановлено та математично описано умови контактної взаємодії робочих органів електромагнітного зміцнювального пристрою із оброблюваною поверхнею металевої довгомірної циліндричної деталі з позицій теорії механічних коливань систем із декількома ступенями вільності та з залученням теорії місцевих контактних напружень і емпіричного закону Герстнера;

б) розроблено конструкцію вібраційно-відцентрового зміцнювального пристрою з електромагнітним приводом та пружними системами для якісного оброблення внутрішніх поверхонь металевих довгомірних циліндричних деталей;

в) отримано аналітичні залежності, які визначають вплив технологічних параметрів методу ВВЗО при використанні електромагнітних зміцнювачів із пружними системами на фізико-механічні показники якості поверхні оброблюваних деталей і забезпечують оптимальні параметри від умов експлуатації довгомірних стержневих виробів.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що розроблено та досліджено новий метод вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення, який не тільки відрізняється високим рівнем енергії деформування матеріалу оброблюваних виробів, а й поширює технологічні можливості зміцнювальних технологій на групу довгомірних циліндричних деталей, і, що особливо вагомо, на їх внутрішні важкодоступні поверхні. Окрім цього, розроблено конструктивні схеми і виготовлено дослідні зразки зміцнювачів внутрішніх та зовнішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей з електромагнітним приводом. Розроблена методика розрахунків і проектування цього спорядження із застосуванням відповідного програмного забезпечення, що створює передумови для широкого промислового впровадження прогресивної зміцнювальної технології ВВЗО.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримано автором самостійно. У працях, опублікованих у співавторстві, автору належить: [5, 7] - аналіз сучасного стану розвитку технологій фінішного й викінчувально-зміцнювального оброблення довгомірних циліндричних деталей та розроблення системи класифікації довгомірних стержневих виробів; [4, 6, 7] - розроблення та дослідження способу вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення довгомірних циліндричних деталей; [8] - побудова й дослідження математичних моделей, які описують процеси формування фізико-механічних параметрів якості поверхневих шарів довгомірних циліндричних деталей, та методик вибору оптимальних технологічних параметрів методу ВВЗО; [1, 2, 3, 9, 10] - розроблення та проектування ефективних конструкцій електромагнітних вібраційно-відцентрових зміцнювальних пристроїв із пружними системами і створення методики розрахунку елементів виконавчих органів цих пристроїв, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на семи міжнародних і всеукраїнських науково-технічних симпозіумах, конференціях: ІV Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (травень, 1999); VIII українсько-польській конференції “САПР в машинобудуванні: проблеми навчання та впровадження” (Львів, травень, 2000); VII Всеукраїнській науковій конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики” (Львів, вересень, 2000); Міжнародній конференції “Машиностроение: проблемы и перспективы развития” (Севастополь, жовтень, 2000); V Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (травень, 2001); Міжнародній науковій конференції, присвяченій 50-річчю ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, червень, 2001); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Славське, лютий, 2002).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, із яких 8 статей - у наукових фахових виданнях України, 2 статті - у зарубіжних журналах, 7 - у матеріалах тез і доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 150 найменувань та додатків на 49 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 260 сторінок, в т.ч. 42 рисунки та 4 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв'язок з науковими програмами, наукове і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про апробацію роботи, особистий внесок автора у публікаціях, сформульовано мету та задачі досліджень.

У першому розділі проведено огляд літературних джерел щодо шляхів покращення експлуатаційних характеристик довгомірних циліндричних деталей. Наведено класифікацію металевих довгомірних циліндричних деталей і матеріалів, з яких їх виготовляють. Проаналізовано роль якості поверхневого шару матеріалу в оцінці експлуатаційних показників довгомірних циліндричних деталей. Описано широковживані фінішні та викінчувально-зміцнювальні операції у технологічних процесах виготовлення цих виробів, їх технологічні можливості, відзначено переваги та недоліки. На підставі аналізу сучасного стану вібраційних технологій щодо забезпечення фізико-механічних параметрів якості матеріалу металевих довгомірних циліндричних деталей здійснено вибір і обґрунтування напрямку досліджень. електромагнітний циліндричний деталь

У другому розділі сформульовано цей напрям досліджень - визначення шляхів і методів технологічного забезпечення фізико-механічних параметрів поверхневого шару матеріалу довгомірних циліндричних деталей, спрямованих на забезпечення експлуатаційних характеристик довгомірних стержневих виробів, підвищення продуктивності праці та зменшення собівартості виготовлення. Наведено комплексну класифікацію методів викінчувального оброблення таких виробів. Здійснено характеристику об'єкту та предмету досліджень, прокласифіковано різновиди вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення довгомірних циліндричних деталей і принципові схеми ВВЗО, проаналізовано їх переваги та недоліки. Відзначено переваги вібраційно-відцентрових зміцнювальних пристроїв з електромагнітним приводом і пружними системами, наведено принципову схему, описано будову та принцип роботи лабораторного однопривідного електромагнітного вібраційно-відцентрового зміцнювача із пружними системами, з допомогою якого виконували більшість експериментальних досліджень.

Методика теоретичних досліджень методу вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення при використанні електромагнітних пристроїв з пружними системами базується на використанні теорії механічних коливань, принципу Д'Аламбера, методу незначного параметру А. Пуанкаре та положень теорії диференційного числення. Основними напрямками проведених експериментальних досліджень були дослідження динаміки ВВЗО, визначення амплітудно-частотних характеристик системи, зусиль контактної взаємодії робочих органів зміцнювальних пристроїв з оброблюваною поверхнею довгомірної циліндричної деталі, дослідження впливу технологічних параметрів методу ВВЗО на фізико-механічні параметри поверхневих шарів довгомірних стержневих виробів.

Для дослідження динаміки процесу ВВЗО, визначення амплітудно-частотних характеристик і зусилля взаємодії робочих органів зміцнювальних пристроїв із оброблюваною металевою поверхнею довгомірної циліндричної деталі використано спеціальний вібровимірювальний комплекс.

З метою вивчення впливу основних технологічних чинників на фізико-механічні параметри якості матеріалу (мікротвердість, глибина зміцненого шару, ступінь зміцнення) при обробленні електромагнітним зміцнювачем і побудови математичних моделей у вигляді поліноміальних залежностей параметрів оптимізації від їх варіювання використано метод факторного планування експерименту з використанням плану виду .

Методика розрахунків і проектування на ЕОМ електромагнітних зміцнювальних пристроїв із пружними системами для реалізації методу ВВЗО базується на використанні відповідного програмного забезпечення, зорієнтованого на персональні комп'ютери РС/АТ Pentium III.

У третьому розділі досліджується динаміка вібраційно-відцентрових зміцнювальних пристроїв із електромагнітним приводом і пружними системами, в результаті чого отримано аналітичні залежності для визначення основних динамічних характеристик процесу ВВЗО.

При проведенні теоретичних досліджень динаміки електромагнітних зміцнювальних пристроїв однопривідний зміцнювач для оброблення внутрішніх довгомірних циліндричних деталей подали у вигляді п'ятимасового віброзбудника із двома пружно-коливними системами. Наявність співударянь деталі із робочими органами при контактуванні їх через незначну кількість деформівних елементів приводить до розвитку значних контактних напружень у матеріалі оброблюваної деталі в місцях контакту, в результаті чого її матеріал пластично деформується і зміцнюється.

Замінивши реальні маси та жорсткості елементів конструкції зміцнювального пристрою їх приведеними аналогами та застосувавши для дослідження динаміки механічної системи математичний апарат диференційного числення, побудовано математичну модель для опису просторових переміщень y10(t), z10(t)… y34(t), z34(t) складників п'ятимасового віброзбудника у дискретний проміжок часу t. На підставі розв'язків цієї моделі числовими методами Рунге-Кутта та Адамса-Башворта-Мултона досліджено характер руху елементів зміцнювача, зокрема складників приводу та робочих органів при неробочому та робочому режимах, проаналізовано доцільність застосування одно- чи двотактних електромагнітних віброзбудників і розроблено рекомендації щодо визначення оптимальних конструктивних параметрів елементів зміцнювальних пристроїв.

На підставі теорії місцевих контактних напружень, закону Герца та емпіричної залежності Герстнера отримано:

- загальне рівняння контактної взаємодії по нормалі робочого органу зміцнювача та оброблюваної поверхні металевої довгомірної циліндричної деталі

;(1)

- зусилля контактної взаємодії Ri робочих органів зміцнювача із оброблюваною поверхнею довгомірної циліндричної деталі

(2)

- максимальне зусилля [Rmax] у напрямку нормалі до контактуючих елементів, за якого процес поверхневого зміцнення електромагнітним пристроєм із використанням методу ВВЗО буде відбуватися без руйнування деформівних тіл

.(3)

У цих формулах бI - сумарне переміщення по нормалі до контактуючих елементів; (hi)1, (hi)2 - відповідно пружна та пластична складова взаємодії контактуючих елементів; (Ci)конт. - контактна жорсткість, яка характеризує зміну пружної складової взаємодії контактуючих елементів під дією сили опору; Ri - зусилля контактної взаємодії робочих органів зміцнювача із оброблюваною поверхнею деталі; - поправний коефіцієнт, що враховує розміри контактної поверхні робочого органу зміцнювача та пластичні властивості оброблюваного матеріалу деталі, RS - критичне навантаження, яке відповідає початку зародження пластичної деформації; y2(4), z2(4) - проекції амплітуди коливань робочих органів зміцнювача на осі координат OY, OZ (визначають на підставі розв'язків математичної моделі); d11max , d12max - відповідно максимальний, мінімальний діаметри внутрішньої оброблюваної поверхні деталі дисків-сепараторів по виступаючих деформівних елементах; r11, r12 - номінальні значення радіусів внутрішньої оброблюваної поверхні деталі та дисків-сепараторів по виступаючих деформівних елементах; E - модуль пружності оброблюваного матеріалу; np - поправний коефіцієнт; [уmax]конт.деф.т. - максимальні контактні напруження, за яких деформівні тіла піддаються руйнуванню.

Результати проведених теоретичних досліджень дають змогу розв'язати дві задачі: пряму - за конструктивними параметрами зміцнювача, отриманими розрахунками, визначити динамічні характеристики процесу ВВЗО; обернену - за відомими динамічними характеристиками (формули (1), (2), (3)) розраховують конструктивні параметри зміцнювального пристрою.

У четвертому розділі описано методику та наведено результати експериментальних досліджень амплітудно-частотних характеристик механічної системи, впливу технологічних і динамічних параметрів методу ВВЗО на фізико-механічні параметри якості матеріалу поверхонь. Подано принципові схеми устав для проведення експериментальних досліджень та характеристики матеріалів і експериментальних зразків.

На підставі досліджень амплітудно-частотних характеристик механічної системи встановлено, що визначальною для дослідження динамічних і технологічних параметрів методу ВВЗО є частота зовнішнього збурення - частота вимушених коливань складників електромагнітного приводу.

З використанням теорії математичного планування експерименту, отримано аналітичні залежності для визначення фізико-механічних параметрів якості поверхневого шару (мікротвердості Hм, товщини зміцненого шару a та ступеня зміцнення е) як функцій технологічних параметрів при обробленні вібраційно-відцентровими зміцнювачами з урахуванням лише значимих коефіцієнтів регресій як функції технологічних параметрів і їх взаємовпливів:

при зміцненні конструкційної сталі 45

(4)

(5)

(6)

при зміцненні високолегованої сталі 40ХН2МА

(7)

(8)

(9)

У цих формулах cзвед. - зведена жорсткість ділянок пружних систем; m2(4) - маса робочого органу зміцнювача; VS - швидкість осьової подачі зміцнювача; n- кількість проходів зміцнювача; I- сила струму в котушках електромагнітів приводу.

Графічні залежності підтверджують, що: а) при однопрохідному обробленні довгомірних циліндричних деталей із сталі 45 максимальне підвищення їх зносостійкості та втомної міцності, які пропорційні приростам товщини зміцненого шару, мікротвердості та ступеня зміцнення, забезпечується такими технологічними параметрами: Н/м, кг, мм/хв; б) максимальна продуктивність праці на зміцнювальній технологічній операції, яка обумовлена швидкістю осьового переміщення зміцнювача, за покращання експлуатаційних характеристик деталей із сталі 45, досягається за таких технологічних параметрів: Н/м, кг, мм/хв; в) максимальне підвищення зносостійкості деталей із сталі 40ХН2МА, що пропорційне приросту мікротвердості, забезпечується такими технологічними параметрами: мм/хв, Н/м, проходи; кг, А; г) максимальне підвищення втомної міцності, що обумовлене товщиною зміцненого шару виробів, при обробленні методом ВВЗО деталей із сталі 40ХН2МА ( мм) досягається за таких оптимальних технологічних параметрів: мм/хв, Н/м, проходи; кг, А.

Досліджено зміну осьових залишкових напружень стиску у поверхневому шарі металевих довгомірних циліндричних деталей, оброблених електромагнітним вібраційно-відцентровим зміцнювальним пристроєм із пружними системами, які при різних режимах оброблення становлять для сталі 45 - 300-500 МПа, для сталі 40ХН2МА - 500-800 МПа. За однопрохідного оброблення конструкційної сталі 45 збільшення маси робочого органу зміцнювача з 1.8 кг до 3.0 кг і зменшення швидкості осьової подачі інструменту з 135 мм/хв до 35 мм/хв сприяє зростанню як максимуму залишкових напружень стиску у приповерхневому шарі матеріалу деталі, так і глибини їх залягання. Під час оброблення високолегованої сталі 40ХН2МА зростання максимального значення сприятливих залишкових напружень стиску та глибини їх залягання відбувається при збільшення кількості проходів зміцнювача з 1 до 3 і сили струму на котушках електромагнітів з 0.75 А до 1.25 А, а також зменшенні швидкості осьового переміщення інструменту з 135 мм/хв до 35 мм/хв.

Наведено результати експериментальних досліджень стосовно визначення складової зусилля контактної взаємодії робочого органу зміцнювача з пружними системами із оброблюваною поверхнею металевої довгомірної циліндричної деталі у напрямку нормалі під час оброблення ВВЗО. Зокрема, для зміцнювачів із однотактними електромагнітними віброзбудниками при Н/м, кг, QПРИВ..=60-120 Н зусилля контактної взаємодії становить RI=100-2000 Н, причому характер зміни Rі визначається законом зміни зусилля електромагнітного приводу QПРИВ.. Адекватність була підтверджена збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень при різних технологічних параметрах методу ВВЗО (максимальна похибка не перевищує 15 %).

У п'ятому розділі наведено специфічні особливості розрахунку та проектування електромагнітних вібраційних пристроїв для ВВЗО. Подано принципові схеми і опис конструкцій розроблених вібраційно-відцентрових зміцнювальних пристроїв. Вібраційно-відцентрові зміцнювальні пристрої із рухом самоподачі та примусовим переміщенням зміцнювального інструменту прості за будовою, порівняно дешеві, надійні в експлуатації, універсальні і забезпечують високий рівень енергії деформації. Ці переваги створюють передумови для промислового використання електромагнітних вібраційно-відцентрових пристроїв з пружними системами на викінчувальних операціях технологічних процесів виготовлення довгомірних циліндричних деталей.

Основними елементами пристрою є основа, електромагнітний привід (статор і якір), торсійна пружна система і робочі органи у вигляді дисків-сепараторів із деформівними тілами. Спеціальне спорядження для зміцнювального пристрою містить раму з платформами на пневмобалонах, причому права платформа встановлена з можливістю переміщення у горизонтальній площині, а ліва платформа - у вертикальній. Переміщення платформи у вертикальній площині здійснюють шляхом зміни тиску повітря у пневмобалонах, на яких вона встановлена. Регулювання переміщенням лівої платформи виконують за рахунок регуляторів тиску, які налагоджені на тиск Pmax (ліва платформа розміщена вище правої) та Pmin (ліва платформа - нижче правої). Переміщення правої платформи у горизонтальній площині вздовж напрямних рами здійснюють за допомогою ходового гвинта. Для закріплення оброблюваних деталей на платформах служать затискні механізми цангового типу. Платформи рами оснащено кінцевими перемикачами для подачі електричного сигналу на командоапарат, який призначений для керування процесом зміни тиску у пневмобалонах лівої платформи і складається із регуляторів тиску, пневмоелектрозолотника та блоку керування пневмоелектрозолотником.

Зміцнення внутрішньої поверхні металевої довгомірної циліндричної деталі проводять у такій послідовності. Зміцнювальний пристрій встановлюють на внутрішню поверхню оброблюваної деталі, яку потім фіксують на платформах за допомогою затискних механізмів. Ліву та праву платформи розміщують на різних рівнях відносно рами. При подачі живлення на котушки електромагнітів статора в результаті виникнення електромагнітного поля, якір притягується почергово до кожної із них із частотою, рівною або кратною частоті електромережі. Статор коливається з якорем у протифазі. Диски-сепаратори, приєднані до статора та якоря, починають здійснювати коливально-обкатні рухи, які супроводжуються ударами по внутрішній поверхні деталі виступаючими деформівними тілами. Наявність співударянь оброблюваної деталі із дисками-сепараторами при контактуванні їх через незначну кількість деформівних тіл у дискретний момент часу t приводить до розвитку великих контактних напружень у поверхневих шарах в місцях контакту. В результаті цього поверхневий шар оброблюваного виробу пластично деформується і зміцнюється. За рахунок того, що платформи розташовані на різних рівнях, пристрій під дією сили тяжіння переміщується на напрямних гумових роликах вздовж твірної оброблюваної поверхні деталі до платформи, котра в даний момент розміщена нижче. Дія пристрою на кінцевий перемикач командоапарату приводить до зміни тиску в пневмобалонах, зміни на протилежний кута нахилу оброблюваної деталі і, в підсумку, до переміщення пристрою до протилежної платформи. Товщину зміцненого шару, ступінь та рівномірність зміцнення регулюють зміною амплітуди коливань, маси робочих органів, швидкістю їх руху та кількістю повторних переміщень вздовж оброблюваних поверхонь.

З урахуванням результатів теоретичних і експериментальних досліджень за безпосередньої участі автора спроектовано, виготовлено та впроваджено у виробництво на ЗАТ “Радехівський РМЗ” (м. Радехів Львівської області) та Стрийському “Управління бурових робіт” (с. Угерсько Львівської області) пристрої для вібраційно-відцетрового зміцнення гільз і втулок бурових помп мод. НБ-600. Натурні втомні випробування зазначених виробів показали, що підвищення їх довговічності після вібраційно-відцентрового зміцнення становить 8-16 %. Промислові випробування електромагнітних вібраційно-відцентрових зміцнювальних пристроїв із пружними системами засвідчили високу ефективність методу поверхневого пластичного деформування при викінчувально-зміцнювальному обробленні металевих довгомірних циліндричних деталей як для підвищення опору їх матеріалу циклічним навантаженням, так і для збільшення опору зношуванню їх поверхонь. Економічний ефект від впровадження викінчувально-зміцнювальної технологічної операції ВВЗО на зазначених підприємствах становить 91 тис.грн/рік.

Висновки

1. Резервом підвищення конкурентоздатності та покращання експлуатаційних характеристик довгомірних стержневих виробів як у загальному машинобудуванні, так і у споріднених із ним галузях є технологічне забезпечення фізико-механічних параметрів якості поверхневих шарів їх відповідних деталей. Проте, недосконалість сучасних технологій і обладнання для викінчувально-зміцнювальних операцій технологічних процесів виготовлення таких деталей висуває потребу у розробленні та дослідженні нових високоефективних і продуктивних технологій, зорієнтованих на використання вібрацій, а також необхідність створення спроможного реалізувати ці процеси устаткування.

2. Вібраційно-відцентрове зміцнювальне оброблення (ВВЗО), що належить до динамічних способів поверхневого пластичного деформування і базується на ударній контактній взаємодії робочих органів інструменту із оброблюваною поверхнею, забезпечує зміцнення зовнішніх і внутрішніх поверхонь довгомірних циліндричних деталей створеними для цього зміцнювальними пристроями дорезонансного типу із електромагнітним приводом, до складу яких входять з'єднані пружними системами із якорем чи статором приводу робочі органи - диски-сепаратори із деформівними тілами.

3. Основними технологічними параметрами реалізації операції поверхневого зміцнення металевих довгомірних циліндричних деталей зміцнювальними пристроями дорезонансного типу із електромагнітним приводом, що мають найістотніший вплив на покращення фізико-механічних показників якості поверхонь (товщину зміцненого шару та його мікротвердість, градієнт і знак залишкових напружень стиску, шорсткість поверхні), є зведена жорсткість ділянок пружних систем, маса робочих органів пристрою, швидкість осьової подачі, сила струму на котушках електромагнітів, кількість проходів. Керування цими параметрами у широкому діапазоні не тільки забезпечує легкість регулювання якісних показників зміцнювального оброблення, підвищуючи, залежно від заданих умов експлуатації, опір зношуванню чи втомну міцність матеріалу, а і надає можливість регулювання технологічною продуктивністю процесу зміцнення.

4. Показники якості зміцнювального оброблення поверхонь довгомірних циліндричних деталей регламентуються силою контактної взаємодії робочих органів (дисків-сепараторів) із деформівними тілами та оброблюваною поверхнею циліндричної деталі, яка пропорційна контактній жорсткості, амплітуді та частоті коливань дисків-сепараторів із деформівними тілами. Розроблена методика теоретичного визначення сили контактної взаємодії дисків-сепараторів із поверхнею деталі, враховуючи фізико-механічні властивості поверхневого шару (твердість та пластичність матеріалу оброблюваної деталі, критичне навантаження зародження пластичної деформації) передбачає вибір раціональних конструктивних і технологічних параметрів зміцнювальних пристроїв з мінімальними енерговитратами приводу. При використанні зміцнювальних пристроїв із однотактними електромагнітними віброзбудниками та з технологічними параметрами Н/м, кг, QПРИВ.=60-120 Н зусилля контактної взаємодії RI становить 100-2000 Н, причому пульсуючий характер зміни визначається законом зміни зусилля електромагнітного приводу QПРИВ.. Створеною методикою експериментального визначення зусилля контактної взаємодії зміцнювального інструменту з оброблюваною поверхнею деталі показав, що вони відрізняються на (10-15 %), що є прийнятним.

5. Вплив технологічних параметрів процесу та конструктивних розмірів зміцнювальних пристроїв із електромагнітним приводом і пружною системою на показники якості зміцнення поверхневих шарів довгомірних циліндричних деталей є неоднозначним, що підтверджують, одержані із застосуванням теорії математичного планування експерименту, аналітичні залежності. На підставі проведеного повного факторного експерименту типу 23 (зміцнення деталей із конструкційних сталей) встановлено, що для товщини зміцненого шару визначальним є вплив швидкості осьової подачі та зведеної жорсткості ділянок пружних систем ; поверхнева мікротвердість та ступінь зміцнення регламентуються, в основному, швидкістю осьового переміщення зміцнювального інструменту і зведеною жорсткістю ділянок пружних систем ; залишкові напруження стиску - швидкістю осьової подачі , масою диска-сепаратора із деформівними тілами та зведеною жорсткістю ділянок пружних систем . Дробовим факторним експериментом типу 25-2 (зміцнення поверхонь деталей із легованих сталей) встановлено, що на поверхневу мікротвердість та ступінь зміцнення визначальним є вплив кількості проходів і швидкості осьової подачі інструменту; товщина зміцненого шару, в основному, регламентуються кількістю проходів, зведеною жорсткістю ділянок пружних систем та швидкістю осьового переміщення зміцнювального інструменту у напрямку подачі; залишкові напруження стиску - кількістю проходів, швидкістю осьової подачі, масою диска-сепаратора із деформівними тілами та зведеною жорсткістю ділянок пружних систем. Для умов даного експерименту на внутрішній поверхні діаметром 150 мм довгомірних деталей із конструкційної сталі 45 при однопрохідному обробленні забезпечується товщина зміцненого шару мм, підвищення поверхневої мікротвердості до МПа при ступені зміцнення % та величині залишкових напружень стиску МПа. Для аналогічних деталей із легованої сталі 40ХН2МА відповідно мм, МПа, %, МПа.

6. В результаті виконання викінчувально-зміцнювального оброблення способом ВВЗО пристроями із електромагнітним приводом разом із підвищенням опору втомі та контактної міцності поверхневого шару матеріалу за рахунок зростання поверхневої мікротвердості та формування у поверхневих шарах залишкових напружень стиску, підвищується і опір абразивному зношуванню матеріалу. Це підтвердили результати промислових випробувань на абразивне зношування зміцнених гільз гідроциліндрів і втулок бурових помп мод. НБ-600. В середньому, залежно від забезпечуваних параметрів зміцнення, зносостійкість цих деталей збільшилась на 8-16 %, що підвищує їх довговічність, зменшує затрати на обслуговування та ремонт.

7. Методики розрахунку конструктивних параметрів вібраційно-відцентрового обладнання і динамічних характеристик методу ВВЗО довгомірних циліндричних деталей, зорієнтовані на застосування сучасної обчислювальної техніки, й розроблене відповідне програмне забезпечення створюють основу для швидкого та якісного виконання проектно-конструкторських робіт при мінімальних матеріальних затратах як на стадії технологічної підготовки виробництва, так і при модернізації відомих технологічних процесів виготовлення довгомірних стержневих виробів.

8. Результати експериментальних і теоретичних досліджень дисертаційної роботи, які впроваджено у ЗАТ “Радехівський РМЗ” (м. Радехів Львівської області) та Стрийському “Управління бурових робіт” (с. Угерсько Львівської області), дали змогу збільшити ресурс гільз гідроциліндрів і втулок бурових помп мод. НБ-600 на 8-16 %, підвищити продуктивність зміцнення на 10-13 % та зменшити загальну трудомісткість механічного оброблення зазначених виробів. Річний економічний ефект від впровадження викінчувально-зміцнювальної технологічної операції ВВЗО на цих підприємствах склав 91 тис.грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях

1. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Пристрій з електромагнітним приводом для зміцнення зовнішніх поверхонь довгомірних деталей // Вісник держ. ун-ту “Львівська політехніка” “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - Львів,- 1999.- №359. - С. 36-41.

2. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Пристрій з електромагнітним приводом для зміцнення поверхонь довгомірних циліндричних деталей // Машинознавство. - 1999. -№12.- С. 33-36.

3. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Розрахунок на міцність пружної системи зміцнювальних пристроїв з електромагнітним приводом // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка” “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - Львів, 2000. - №394. - С. 44-48.

4. Афтаназів І.С., Винник В.В., Кусий Я.М. Розрахунок енергії деформування вібраційних зміцнювальних пристроїв з електромагнітним приводом та пружною системою // Український міжвід. наук.-техн. зб. “Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні”. - 2000. - №35 - С. 32-39.

5. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Аналіз та вибір оптимальних фінішних операцій технологічного процесу виготовлення довгомірних циліндричних деталей // Вісник держ. ун-ту “Львівська політехніка” “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - Львів, 2000. - №412. - С. 3-11.

6. Афтаназів І.С., Кусий Я.М., Широков О.В. Вібраційно-відцентрове зміцнювальне оброблення внутрішніх поверхонь довгомірних трубчастих виробів // Науковий вісник: Збірник науково-технічних праць: УкрДЛТУ. - Львів, 2001. - Вип. 11.4. - С. 140-144.

7. Афтаназів І.С., Кусий Я.М., Свіч А., Собачек А., Юрчишин І.І Огляд технологій викінчувального оброблення довгомірних стержневих виробів // Вісник Житомирського інж.-технол. ін-ту. Спец. вип. за матеріалами ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”. - Житомир, 2001. - С. 60-68.

8. Кусий Я.М., Баранецька О.Р. Аналіз впливу технологічних параметрів вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення на фізичні параметри якості довгомірних циліндричних деталей із конструкційних матеріалів // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка” “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - Львів, 2002. - №442 - С.43-52.

9. Ivan Aftanaziv, Jaroslav Kusiy, Igor-Petro Kuritnyk Using vibrations for strengthening of long-sized cylindrical details. - Acta Mechanica Slovaca, Koљice, 3/2000. - Р. 43-46.

10. Iwan S. Aftanaziew, Jaroslav M. Kusyj, Antony Њwiж. Zastosowanie przyrz№dьw z napкdem elektromagnetycznym do umacniania dіugich przedmiotьw cylindrycznych. - Folia Societetis Scientiarum Lublinensis, Lubelskie Towarystwo Naukowe, Technika, vol.9, 2000. - S. 102-106.

11. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Пристрій з електромагнітним приводом для зміцнення поверхонь довгомірних циліндричних деталей // Зб. тез 4-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - Львів, 19-21 травня. - 1999. - С. 96-97.

12. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Розрахунок конструктивних елементів зміцнювальних пристроїв з електромагнітним приводом та пружною системою на ПЕОМ // Матеріали VIII-ої українсько-польської конференції “САПР в машинобудуванні: проблеми навчання та впровадження” - Львів, 3-5 травня. - 2000. - С. 70-75.

13. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Розроблення математичної моделі для визначення енергії деформування зміцнювальних пристроїв для підвищення надійності та довговічності довгомірних циліндричних деталей // Зб. тез 7-ої Всеукраїнської наукової конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики”. - Львів, 19-21 вересня. - 2000. - С. 3.

14. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Дослідження методу ВВЗО стосовно зміцнювальних пристроїв із пружною системою та електромагнітним приводом // Зб. тез Міжнародної конференції “Машиностроение: проблемы и перспективы развития”. - Севастополь, 2-6 жовтня. - 2000. - С. 36-38.

15. Афтаназів І.С., Кусий Я.М., Широков В.В. Дослідження впливу методу ВВЗО на фізичні параметри якості поверхневого шару довгомірних циліндричних деталей. - Зб. тез 5-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - Львів, 16-18 травня. - 2001. - С. 140-144.

16. Афтаназів І.С., Кусий Я.М. Дослідження технологій викінчувального оброблення довгомірних циліндричних деталей за допомогою методів вібраційної дії. - Зб. тез ФМІ НАН України ім. Г.В. Карпенка. - Львів, 5-7 червня. - 2001. - С. 54-58.

17. Афтаназів І.С., Кусий Я.М., Баранецька О.Р., Широков В.В. Вплив технологічних параметрів вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення на фізичні параметри якості довгомірних циліндричних деталей із сталі 45 // Матеріали ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”- Славське, 26 лютого-1 березня. - 2002. - С. 114.

Анотація

Кусий Я.М. Технологічне забезпечення фізико-механічних параметрів поверхневих шарів металевих доввгомірних циліндричних деталей вібраційно-відцентровим зміцненням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний університет “Львівська політехніка”. - Львів, 2002.

Дисертація присвячена розробленню технології викінчувально-зміцнювального оброблення металевих довгомірних циліндричних деталей методом вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення (ВВЗО) шляхом забезпечення необхідних фізико-механічних параметрів поверхневих шарів виробів з метою підвищення їх довговічності. Запропоновано аналітичні залежності для визначення основних динамічних характеристик методу ВВЗО, зокрема зусилля контактної взаємодії робочих органів електромагнітного зміцнювача оброблюваною поверхнею металевої довгомірної циліндричної деталі. На підставі теорії математичного планування експерименту отримано нелінійні емпіричні залежності для визначення фізико-механічних параметрів якості матеріалу поверхневого шару (мікротвердості, товщини зміцненого шару та ступеня зміцнення) металевих довгомірних циліндричних деталей як функцій основних технологічних параметрів, встановлено оптимальні значення основних технологічних паарметрів методу ВВЗО. Розроблено конструкції електромагнітних пристроїв і допоміжного спорядження для вібраційно-відцентрового зміцнення зовнішніх і внутрішніх поверхонь металевих довгомірних циліндричних деталей. Створено методику розрахунків і розроблено прикладне програмне забезпечення для визначення оптимальних конструктивних параметрів електромагнітних зміцнювальних пристроїв із пружними системами. Результати роботи впроваджено для підвищення довговічності гільз гідроциліндрів та втулок бурових помп.

Ключові слова: металева довгомірна циліндрична деталь, вібраційно-відцентрове зміцнювальне оброблення, електромагнітний привод, пружна система, вібраційно-відцентровий зміцнювач, товщина зміцненого шару

Summary

Kusyj Yaroslav. Technological security of physics-mechanical parameters of metal long-sized cylindrical detail's surface layers by means of vibrational - centrifugal strengthening. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of an engineering science candidate. Speciality 05.02.08 - technology of machine building . - National university " Lvivska polytechnica ". - Lviv, 2002.

The dissertation is devoted to development of finish and strengthening technology of metal long-sized cylindrical detail's treatment by means of the vibrational - centrifugal strengthening treatment (VCST) by security of necessary physics-mechanical parameters surface layers with the purpose of a heightening of longevity of these details. The common equation of normal contact interaction of an end-effector strengthening mechanism with a job surface of a metal long-sized cylindrical detail, analytical associations for definition of gain of contact interaction of end-effectors strengthening mechanism with a job surface of workpiece and its maximum value is obtained. Is established(installed) best values of the basic technological parameters of a VCST method at use strengthening mechanism with an electromagnetic drive and elastic systems at handling of steel long-sized cylindrical details. Designed constructions of electromagnetic devices and supplementary equipment for vibrational - centrifugal strengthening of handling of external and internal surfaces of metal long-sized cylindrical details. The procedure of calculations and application software for definition of optimum design parameters vibrational - centrifugal strengthening mechanism is created. The outcomes of operation are introduced for a heightening of longevity of barrels of actuators and sleeves of chisel pumps.

Key words: metal long-sized cylindrical detail, vibrational - centrifugal strengthening treatment, electromagnetic drive, spring system, vibrational - centrifugal strengthening mechanism, strengthening layer's width.

Аннотация

Кусый Я.М. Технологическое обеспечение физико-механических параметров поверхностных слоев металлических длинномерных цилиндрических деталей вибрационно-центробежным упрочнением. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. Cпециальность 05.02.08 - технология машиностроения. - Национальный университет “Львивська политэхника". - Львов, 2002.

Диссертация посвящена разработке технологии отделочно-упрочняющей обработки металлических длинномерных цилиндрических деталей методом вибрационно-центробежной упрочняющей обработки (ВЦУО) путем обеспечения необходимых физико-механических параметров поверхностных слоев изделий с целью повышения их долговечности.

Приведена классификация металлических длинномерных цилиндрических деталей и материалов, из которых их изготовливают. Проанализирована роль качества поверхностного слоя материала при оценке эксплуатационных показателей изделий. Проведен обзор известных финишных и отделочно-упрочняющих операций технологических процессов изготовления длинномерных цилиндрических деталей и их технологические возможности. Произведен выбор и обоснование направлений исследований.

Сформулировано основное напарвление исследований данной работы - разработка методов технологического обеспечения физико-механических параметров качества поверхностного слоя материала длинномерных цилиндрических деталей, направленных на обеспечение эксплуатационных характеристик, повышение продуктивности труда и уменьшение себестоимости продукции. Приведена характеристика объекта и предмета исследований, а также классификация разновидностей метода вибрационно-центробежной упрочняющей обработки (ВЦУО) длинномерных цилиндрических деталей, описаны принципиальные схемы ВЦУО, проанализированы их преимущества и недостатки. Разработаны методики теоретических и экспериментальных исследований метода ВЦУО при использовании электромагнитных упрочнителей с упругими системами и специальное оборудование для их реализации. Описана методика расчета и проектирования средствами вычислительной техники электромагнитных вибрационно-центробежных упрочнителей с упругими системами.

Приведены результаты исследования динамики вибрационно-центробежных упрочнителей с электромагнтным приводом и упругими системами, в результате которых получены аналитические зависимости для определения основных динамических характеристик метода ВЦУО. С помощью разработанной математической модели проанализирована целесообразность использования одно- или двухтактных электромагнитных вибровозбудителей и разработаны рекомендации по определению оптимальных конструктивных паарметров элементов упрочнителей. На основании теории местных контактных напряжений, закона Герца и эмпирической зависимости Герстнера получены: общее уравнение контактного взаимодействия в направлении нормали рабочего органа упрочнителя с обрабатываемой поверхностью, аналитические зависимости для определения усилия контактного взаимодействия рабочих органов упрочнителя и обрабатываемой поверхности металлической длинномерной цилиндрической детали и ее максимального значения.

Описано методику и приведены результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик механической системы, влияния технологических и динамических параметров метода ВВЗО на физико-механические параметры качества материала поверхностей длинномерных цилиндрических деталей. Используя теорию математического планирования эксперимента, получены нелинейные эмпирические зависимости для определения физико-механических параметров качества материала поверхностного слоя (микротвердости, толщины упрочненного слоя и степени наклепа) стальных изделий и установлены оптимальные значения основных технологических параметров метода ВЦУО. Исследовано распределение осевых остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях стальных длинномерных цилиндрических изделий при различных режимах обработки методом ВЦУО. Приведены результаты экспериментальных исследований определения нормальной составляющей усилия контактного взаимодействия рабочего органа упрочнителя с обрабатываемой поверхностью изделия. Погрешность расчетных значений относительно экспериментальных не превышает 15 %.

Предложены принципиальные схемы и описан принцип работы упрочнителей с движением самоподачи и принудительным перемещением инструмента. Приведены результаты натурных испытаний устройств для вибрационно-центробежного упрочнения гильз гидроцилиндров и втулок буровых насосов.

Ключевые слова: металлическая длинномерная цилиндрическая деталь, вибрационно-центробежная упрочняющая обработка, электромагнитный привод, упругая система, вибрационно-центробежный упрочнитель, толщина упрочненного слоя.

Размещено на Allbest.ru