Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процесса контактирования инструмента и обрабатываемой поверхности при центробежно-ударной обработке

УДК 621.787

Р.В. Гуров

5.09.11

Аннотация

Рассмотрены особенности взаимодействия инструмента и обрабатываемой поверхности при отделочно-упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД) центробежно-ударным методом. Установлено влияние касательной составляющей скорости удара на процесс обработки.

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, отделочно-упрочняющая обработка, режимы обработки, центробежная обработка, энергия удара, глубина упрочнения, шероховатость.

В настоящее время достаточно интенсивно развиваются ударные (динамические) методы обработки, к которым относятся центробежно-ударная, статико-импульсная обработка, различные виды дробеструйной обработки и др. Такое положение связано с рядом технологических преимуществ, предоставляемых этими методами [1].

При ударных методах обработки основным параметром процесса является энергия удара Еу, которая в значительной степени определяет глубину упрочненного слоя при упрочняющих режимах обработки и шероховатость получаемой поверхности при отделочных и отделочно-упрочняющих режимах [2]. При переносе результатов достаточно обширных исследований по другим методам ударной обработки на центробежно-ударную возникает ряд трудностей.

Так, И.В. Кудрявцевым [3], В.В. Петросовым [4] и др. установлено, что доля энергии удара, затраченная на упругое взаимодействие, составляет около 10…15% от начальной кинетической энергии Ек. Для учета этой энергии предлагается использовать коэффициент k_Э, определяемый как соотношение скоростей при ударе (V_у) и отскоке (V_отс) :

k_Э = V_отс /V_у.

Тогда с учетом того, что энергия удара представляет собой кинетическую энергию инструмента (бойка), величина эффективной энергии определяется по зависимости

Eу=Ек(1 - k_э²).

Диапазон значений коэффициента составляет k_Э = 0,31…0,39.

Для центробежно-ударной обработки значение коэффициента k_Э, по данным экспериментальных исследований, весьма близко к единице, т.е. скорость отскока близка к скорости удара. В этом случае лишь малая часть кинетической энергии шарика должна идти на процесс деформирования. Однако исследование характеристик получаемой после центробежно-ударной обработки поверхности не подтверждает данный результат.

Наиболее очевидно предположение, что шарик получает дополнительную энергию. Источником этой энергии является касательная составляющая скорости удара, которая для центробежно-ударной обработки, в отличие от других методов, может превышать нормальную составляющую более чем на порядок. центробежный ударный динамический

Для приближенного определения степени влияния касательной составляющей скорости Vt предлагается следующая упрощенная модель.

Шарик, движущийся со скоростью V под углом б к обрабатываемой плоской поверхности (рис. 1), внедряется в нее. При этом по мере увеличения площади контакта растет контактное усилие, что приводит к снижению составляющей Vn скорости шарика до нуля. Однако за счет движения шарика вдоль поверхности со скоростью Vt контактное взаимодействие не прекращается, и контактные усилия начинают разгонять шарик в обратном направлении. В результате при отрыве от обрабатываемой поверхности шарик имеет некоторую скорость Vn. Для упрощения расчетов обрабатываемый материал принят неупрочняемым, также не учитывается увеличение площади контакта за счет образования буртика вокруг лунки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При ударе инструмента размеры отпечатка растут как в глубину, так и вдоль обрабатываемой поверхности. Соотношение между нормальной составляющей скорости Vn и скоростью увеличения размеров отпечатка вдоль поверхности Vr определяется из геометрических соображений по зависимости

Vr = Vn/,

где r - радиус инструмента.

До тех пор пока скорость роста отпечатка Vr превышает по величине касательную составляющую скорости инструмента Vt, последняя не оказывает значительного влияния на процесс формирования отпечатка, а площадка контакта ограничивается окружностью.

При Vr ? Vt начинается отрыв задней части контактирующей поверхности инструмента от обрабатываемой поверхности. Положение точки отрыва Т (рис. 2 а) определяется соотношением скоростей Vn, Vt и Vr в данный момент. Задняя граница отпечатка в текущий момент времени (рис. 2 в,г) определяется линией пересечения секущей плоскости OBTC, проходящей через ось вращения инструмента и точку Т, с поверхностью инструмента и обрабатываемой поверхностью.

Проекция площадки контакта при сближении (рис. 2 в) определяется как сумма площадей сектора О'ВАС и проекции сектора сечения инструмента плоскостью ОВТС, а при отскоке, когда Vn < 0 (рис. 2 г), - как их разность.

Площадь сектора О'ВАС определяется из геометрических соображений. При внедрении инструмента (Vn > 0)

S_О'ВАС = 2 р r y_k ,

а при отскоке (Vn < 0)

S_О'ВАС = 2 р r y_k ,

где 2д' - проекция центрального угла 2д сектора OBTC, определяемая по зависимости

2д' = 2 arctg.

Площадь проекции сектора O'BTC на обрабатываемую поверхность определяется по зависимости

S_О'_ВС = р r² sin б,

где 2д = 2 arcos.

а) б)

в) г)

Рис. 2. Площадь контакта инструмента и заготовки при ударе

Таким образом, номинальная геометрическая площадь контакта определяется по следующим зависимостям:

- при внедрении инструмента:

;

- при отскоке:

.

При отскоке, по мере уменьшения величины контактного сближения, скорость роста отпечатка стремится к бесконечности (Vr>?), поэтому в конце отскока будет наблюдаться отрыв инструмента от отпечатка до достижения у_к = 0 . Условие отрыва - равенство скорости уменьшения отпечатка Vr и касательной составляющей скорости Vt.

Для анализа полученной модели была составлена программа в среде SciLab.

Анализ проводился для нормальных составляющих скорости удара Vn, равных 2, 4, 6, 8, 10 и 12 м/с. Диапазон изменения угла удара б составил от 3 до 88°. В качестве обрабатываемого материала была принята условная сталь с пределом текучести у_Т = 450 МПа. В качестве инструмента рассматривался стальной шарик диаметром d = 10 мм. Как показали результаты дальнейшего моделирования, диаметр инструмента не оказывает существенного влияния на общую картину.

Основной задачей моделирования было выявление степени влияния касательной составляющей скорости Vt, выраженной в модели через угол удара б, на различные параметры процесса ОУО ППД.

На рис. 3 представлены графики зависимости отношения нормальной к поверхности составляющей скорости отскока Vo к скорости удара Vn от угла удара (рис. 3 а) и отношения нормальной составляющей кинетической энергии отскока Eкo к энергии удара Eку от угла удара (рис. 3 б) при различных скоростях Vn. Снизу вверх графики расположены в порядке возрастания скорости Vn.

а) б)

Рис. 3. Зависимость отношений Vо/Vn и Eкo/Eку от угла удара б

Как видно из графиков, с увеличением значения скорости Vn растет и степень влияния касательной составляющей. Так, при б = 15° рост нормальной составляющей скорости с Vn = 2 м/с до Vn = 12 м/с повышает относительную величину скорости отскока с 23 до 41%, а относительную величину кинетической энергии отскока - с 6 до 18%. Поскольку энергия оказывает непосредственное влияние на ряд показателей процесса ОУО ППД, в частности на тепловые эффекты, такую прибавку необходимо учитывать. При этом момент, с которого это делать целесообразно, зависит от нормальной скорости Vn.

Наибольший интерес представляет влияние Vt на результат обработки, в частности на глубину упрочнения hу. В литературе [3; 4] для ее расчета предлагается следующая зависимость:

hу = 1,5(1,54-HB/1000),

где D - диаметр рабочей части инструмента; Ey - эффективная часть энергии удара.

В данной модели, поскольку упругая составляющая не учитывалась, эффективная энергия принималась равной сумме нормальных энергий удара (Еку) и отскока (Еко). Результаты моделирования для инструмента диаметром 10 мм при тех же условиях представлены на рис. 4 б.

С точки зрения формирования шероховатости вызывает интерес влияние касательной составляющей скорости на глубину получаемого отпечатка, в данной модели принимаемую равной максимальному контактному сближению у_{к max}. Графики зависимости контактного сближения от угла удара представлены на рис. 4 а.

Как видно из графиков, ощутимое увеличение глубины упрочнения и глубины отпечатка происходит при достаточно малых углах удара. Пунктиром на графиках обозначены моменты, когда величина параметра превышает значение при нормальном ударе (б = 90°) на 5%. По литературным данным, на сегодняшний день при практическом применении центробежно-ударного метода ОУО ППД окружная скорость инструмента не превышает 40…50 м/с. На рис. 4 эта граница для скорости (40 м/с) представлена жирными точками.

б, °б, °

а) б)

Рис. 4. Зависимость максимальной глубины отпечатка у_{к max} (а) и глубины упрочнения hу (б) от угла удара б при нормальных скоростях удара (снизу вверх) 2, 4, 6, 8, 10 и 12 м/с при диаметре инструмента 10 мм

Очевидно, что при существующих рекомендациях по режимам обработки учет касательной скорости приводит к ощутимому увеличению прогнозируемых параметров обработки (более чем на 5%) лишь при нормальных скоростях удара Vn до 6 м/с, малых углах удара, а значит, и малых значениях натяга и практически не сказывается при более высоких скоростях. Однако одним из средств повышения производительности при ОУО ППД центробежно-ударным способом является повышение скорости вращения инструмента, а при этом вклад касательной составляющей будет расти.

Список литературы

1. Инженерия поверхности деталей /кол. авт.; под ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

2. Подольский, М.А. Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе энергетического критерия: автореф. дис. …канд. техн.наук/ М.А. Подольский. - Ростов н/Д, 2005. - 19 с.

3. Кудрявцев, И.В. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа/ И.В. Кудрявцев. - М.: Машиностроение, 1965. - 212 с.

4. Петросов, В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента/ В.В. Петросов. - М.: Машиностроение, 1977. - 167 с.

Размещено на Allbest.ru