close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Селеменева О. В. Повышение эффективности вибрационной обработки сложных номинальных поверхностей за счет эпиламирования производящих элементов инструмента

код для вставки
Министерство образования и науки РФ
Орловский государственный университет имени И.С.Тургенева
На правах рукописи
Селеменева Ольга Викторовна
Научный доклад на тему:
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
СЛОЖНЫХ НОМИНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗА СЧЕТ
ЭПИЛАМИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНСТРУМЕНТА
Направление подготовки: 15.06.01 - Машиностроение
направленность (профиль):Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Тарапанов Александр Сергеевич
Орел-2018
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Повышение качества, надежности и долговечности изделий авиационной техники, судостроения, энергосиловых установок на протяжении многих десятилетий и в настоящее время является важной народнохозяйственной проблемой, над которой работают многие специалисты в
нашей стране и за рубежом. Эта проблема стала особенно актуальной в связи
с созданием новых поколений вертолетов, самолетов, судов, двигателей и
обострившейся конкуренцией на мировом рынке. В конструкции упомянутых
типов изделий входят группы высоконагруженных деталей, надежность и
долговечность которых, в значительной мере определяет ресурс работы и
надежность всего изделия. Значительное количество такого рода деталей
имеют сложную форму, большие размеры, ограниченную жесткость и высокие требования к параметрам качества поверхности и поверхностного слоя.
Характерным примером такого типа деталей являются: лонжерон лопасти несущего винта вертолета, элементы крыла и фюзеляжа (панели) самолета и другие детали.
Указанные детали в зависимости от типа изделия и его назначения имеют различные конструктивные формы и размеры, изготавливаются, как правило из конструкционных легированных сталей, алюминиевых сплавов.
К качеству поверхности предъявляются высокие требования, обусловленные тяжелыми условиями эксплуатации – высокий уровень знакопеременных нагрузок, высокие скорость и контактные нагрузки, колебания температурного градиента, коррозионные и эрозионные процессы. В этой связи
шероховатость поверхности ограничивается – Ra=0,5÷1,25 мкм, оговаривается структура и направленность микрорельефа; поверхностный слой подвергается упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД). Отмеченные особенности требуют нетрадиционного подхода к
решению технологических задач упрочняющей обработки: разработке и совершенствованию методов виброударного воздействия, новых технологических схем виброударной обработки деталей рассматриваемого класса, применение нанопокрытий рабочих органов инструментальных поверхностей.
Разработка эффективных технологических методов и средств отделочноупрочняющей обработки высоконагруженных деталей, определяющих
надежность и ресурс работы изделий, является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Для достижения поставленной цели сформулированы задачи и выполнен
комплекс теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследований:
2
1. Разработка и обоснование новых технологических схем виброударной
обработки длинномерных и крупногабаритных деталей сложной конфигурации, на основе применения многоконтактных виброударных инструментов.
2. Разработка математических моделей распространения ударного импульса виброударной обработки длинномерных и крупногабаритных деталей
сложной формы.
3. Анализ и систематизация конструктивно-технологических особенностей виброударной обработки деталей нетрадиционных форм и размеров;
4. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров
различных схем виброударной обработки на качество поверхностного слоя;
установление возможности регулирования равномерности упрочняющей обработки поверхности деталей сложной формы.
5. Экспериментальные исследования, технологические испытания и
промышленная апробация новых технологических схем и конструкций многоконтактных инструментов для виброударной упрочняющей обработке
крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы с применением
нанопокрытий.
6. Исследования и сравнительные испытания влияния параметров качества поверхности с нанопокрытием производящих поверхностейпри виброударной обработке на важнейшие эксплуатационные свойства деталей.
7. Технико-экономический анализ и технологические рекомендации для
практического применения результатов исследований.
Методы и объект исследований.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием известного и оригинального опытного оборудования, имитационных моделей,
фрагментов изделий авиационной техники; современных методов и средств
измерений.
Научная новизна полученных результатов заключается:
- в теоретическом обосновании и разработке новых технологических
схем виброударной упрочняющей обработки с нанопокрытием производящего инструмента деталей нетрадиционных форм и размеров, результатом которого являются аналитические и эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязь параметров виброударного воздействия и изменения качества поверхностного слоя;
- в теоретическом обосновании и разработке виброударной обработки
длинномерных деталей сложной формышариковымупрочнителем с нанопокрытием рабочих элементов, обеспечивающим непрерывность и равномерность обработки, формирование стабильности параметров качества поверхностного слоя деталей.
3
Практическая ценность работы заключается в:
- разработке оригинальной схемы виброударной обработки длинномерных деталей сложной формы (на примере лонжерона лопасти несущего винта
вертолета);
- разработке технологических рекомендаций по выбору параметров
виброударной обработки с нанопокрытием рабочих поверхностей инструмента для достижения требуемых характеристик качества поверхностного
слоя.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены
на международной научно-технической конференции «Виброволновые процессы в технологии обработки деталей высокотехнологичных изделий». Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2017 г., международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ,
д.т.н., почетного профессора ДГТУ А.П. Бабичева. «Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий». Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2018 г., V региональной научнопрактической конференции им. академика А.Г.Шипунова, Ливны -Тула, ОГУ
им. И.С. Тургенева, 2018 г.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах,
в том числе 3статьив рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для
публикации материалов диссертационных исследований.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 121 страница, содержит 39 рисунков и 10
таблиц, список литературы из 91 наименования.
Работа выполнялась в рамках базовой части Государственного задания
на 2017 - 2019 гг., код проекта 1.5265.2017/БЧ.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, цель, задачи, объект и предмет
исследования, методы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава посвящена аналитическому обзору актуального и активно
развивающегося научного направления в технологии машиностроения, заключающегося в управлении показателями качества упрочненного поверхностного слоя образованного одним из вариантов поверхностно – пластической обработки (ППД) – центробежно – шариковой за счет параметров, ха4
рактеризующих условия контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, параметрами кинематики относительного движения инструмента и детали и параметров силы деформирования.
Большой вклад в развитие упрочнения деталей методами ППД внесли
работы Кудрявцева И.В., Юдина Д.Л., Дрозда М.С., Безъязычного В.Ф., Петросова В.В., Шнейдера Ю.Г., Маталина А.А, Рыжова Э.В., Хворостухина
Л.А., Бабичева А.П., Федорова В.П., Киричека А.В., Лебедева В.А,, Степанова Ю.С., Соловьева Д.Л., Одинцова Л.Г., Копылова Ю.Р., Смелянского В.М.,
Сорокина В.М., Алексеева П.Г., Кравченко Б.А., Папшева Д.Д., Суслова А.Г.,
Рыковского Б.П., Азаревича Г.М., Ящерицина П.И., Саверина М.М., Горохова В.А. и др. В области виброударной обработки широкую известность получили работы: Бабичева А.П., Копылова Ю.Р., Лебедева В.А., Устинова В.П,,
Матюхина Е.В., Юркевича В.Б., Аксенова В.Н., Картышева Б.Н.
Центробежная обработка (ЦО) является одним из упрочняющих динамических методов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД). Этот метод применяют для повышения усталостнойпрочности деталей машин, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.
К основным преимуществам ЦО относятся: высокая интенсивность обработки, простое по конструкции оборудование, возможность обработки
длинномерных маложестких изделий сложной формы, большая энергия воздействия на поверхность детали, что позволяет получать высокую степень
упрочнения для стальных деталей.
Процесс упрочнения центробежным способом не изменяет геометрической формы детали, поэтому не требуется специального припуска на обработку. От чистоты исходной поверхности зависит поверхностная твердость.
В случае грубо подготовленной поверхности гребешки препятствуют ударному воздействию шариков на основной слой металла.
Для снижения износа, повышения стойкости, надежности инструмента в
зависимости от условий его эксплуатации проводят оптимизацию конструкции и геометрии режущей части, применяют методы, направленные на улучшение свойств инструментального материала, повышение износостойкости
поверхностного слоя инструмента, разрабатывают и внедряют новые марки
смазочно-охлаждающих технологических сред, а также способы ее подачи в
зону резания. Для повышения работоспособности инструментов широко используют различные методы нанесения износостойких покрытий.
Нарушение исходного режима трения при механической обработке чаще
всего связано со смазкой. Масло, которым смазываются контактные поверхности инструмента и детали, в силу своего агрегатного состояния является
наименее стабильной характеристикой. В режущем клине размещается весь5
ма малая доза смазочного масла, которая должна обеспечивать определенный
коэффициент трения для различных видов обработки. Такие масла должны
обладать высокой химической, физической стабильностью и смазочным
свойством. Смазка вводится в зону контакта во время обработки и фиксируется там за счет молекулярно-поверхностных сил масла и материала детали и
инструмента. При миграции масла его запас в клине становится недостаточным для обеспечения стойкости инструмента.
Поверхностная энергия твердых тел велика – порядка 500-5000 мД/м2, а
поверхностное натяжение жидкостей в 10-100 раз меньше. Поэтому для
предотвращения растекания жидкостей по твердому телу следует, как бы
снизить поверхностное натяжение твердого тела, поместив между жидкостью
и твердым телом какую-то прослойку – пленку, поверхностное натяжение
которой близко к поверхностной энергии жидкости.
Эпиламирование – это процесс осаждения ПАВ на твердую поверхность.
Характер адсорбции и ориентация осажденных молекул определяется взаимодействием адсорбционных центров поверхности с активными центрами
молекул. Пространственное расположение адсорбированных молекул зависит от их полярности и условий осаждение и может быть как вертикальным,
так и горизонтальным или может образовывать любой угол с твердой поверхностью.
Эпиламирование предполагает образование на поверхности твердого тела мультимолекулярных слоев с регулярно ориентированными молекулами.
Степень ориентации и толщина ориентированного слоя зависят от природы
твердого тела и молекул ПАВ. Так, пределах гомологического ряда жирных
кислот степень ориентации возрастает с увеличением длины цепи молекулы.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованиюи разработке
виброударной обработки длинномерных деталей сложной формышариковымупрочнителем с нанопокрытием рабочих элементов, обеспечивающим непрерывность и равномерность обработки, формирование стабильности параметров качества поверхностного слоя.
Управлять показателями качества упрочненного поверхностного слоя
образуемого обработкой ППД (поверхностным пластическим деформированием) можно за счет параметров, характеризующих условияконтактаинструмента и обрабатываемой поверхности, параметров кинематикиотносительного движения инструмента и обрабатываемой поверхности и параметров силы
деформирования. Различные сочетания параметров образуют те или иные
способы ППД. Число используемых параметров, определяет возможности
способа при формировании показателей качества поверхностного слоя. Введение дополнительных параметров, усложняющих реализацию способа, со6
провождается расширением его возможностей: повышением производительности, снижением шероховатости или улучшением свойств поверхностного
слоя.
Изнашивание инструмента происходит вследствие процессов, протекающих на микро- и субмикро уровне. В процессе обработки контактирующие
поверхности инструмента и обрабатываемой детали находятся в тяжелых
условиях трения и износа: возникают деформации сжатия, процесс сопровождается большим тепловыделением, упрочнением, разупрочнением и
структурным превращением поверхностного слоя. Контактные объемы инструмента изменяют свое энергетическое состояние, в них идет процесс
накопления деформации, реализуемый через изменение дислокационной
структуры и микроструктуры, что и определяет интенсивность изнашивания.
Одним из самых перспективных направлений повышения эффективности ППД представляется разработка и применение смазочно – охлаждающих
технологических сред (СОТС) и поверхностно – активных веществ (ПАВ)
для обеспечения благоприятных условий эксплуатации инструмента и повышения качества обрабатываемых поверхностей.
Действие СОТС направлено на уменьшение работы сил трения и адгезии
между инструментальным и обрабатываемым материалом, их охлаждение в
процессе обработки, повышение качества обработанной поверхности, снижение энергозатрат и увеличение производительности обработки. Технологическая эффективность зависит от смазочного, охлаждающего, моющего, диспергирующего и демпфирующего, пластифицирующего действия СОТС, которые определяются составом и свойствами, технологией и техникой ее применения. Улучшение шероховатости поверхности, обработанной в присутствии СОТС, объясняется уменьшением интенсивности трения и пластифицирующим действием поверхностно-активных компонентов СОТС. Особенно это важно в процессе подачи инструмента при ППД, когда в точке деформации возникают высокие касательные напряжения снижающие стойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности.
Одним из наиболее эффективных путей удержания смазки на поверхности, является нанесение на нее нанопленкиэпилама, которая посредством
энергетических карманов и удерживает СОТС. Эпиламы обладают столь необычными свойствами, что вызывают устойчивый интерес исследователей во
всем мире. Термин «эпилам» появился в 30-е годы ХХ века и определяет составы, которые наносятся на твердые поверхности трибосопряжений для
удержания смазки в зоне трения. Эпиламы впервые были предложены швейцарцем П. Воогом для обработки часовых деталей.
7
Воогом было предложено модифицирование твердой поверхности деталей слоем вещества с низкой поверхностной энергией и запатентован процесс, в котором раствор олеиновой или стеариновой кислоты в летучем растворителе использовался для обработки твердых поверхностей. Однако, такие растворы имели ряд недостатков: низкую временную стабильность (не
более 3 месяцев), низкую температуру деструкции (не более 500С) и др.
Триботехнологические свойства эпиламированных поверхностей, способы управления их характеристиками и механизм действия эпиламов до
настоящего времени все еще изучены недостаточно. Данные ряда публикаций противоречивы, что является следствием неполного понимания природы
и механизмов действия эпиламов. Весьма ограничены сведения о возможностях использования нанопленокэпиламов в целях повышения эффективности
механической обработки материалов.
Явлению удара абсолютно твердого тела по поверхности, имеющей значительно большую массу посвящено много работ.
При (ППД) имеет место косой удар о неподвижную поверхность в предположении что тело (шарик) совершает плоское движение и имеет точечный
контакт. При этом предполагается, что ударные силы взаимодействия намного больше остальных сил, что предполагает действием последних пренебречь.
Классическая модель удара Ньютона основана на гипотезе, что время
удара бесконечно мало и перемещением тела в пространстве можно пренебречь. Также сделано предположение, что при ударе коэффициент восстановления (отношение модулей скоростей тела до и после удара) определяется
интервалом между соударениями тел и не зависит от скорости соударяемых
тел. Процесс соударения был разделен на две фазы. В фазе деформации скорость деформации шарика уменьшается до нуля и накапливается энергия
упругих деформаций. В фазе восстановления накопленная потенциальная
энергия освобождается и шарик разгоняется и движется в другом направлении (при косом ударе). Позже введены другие определения kкоэффициент
восстановления – это отношение импульсов ударной силы взаимодействия в
фазах восстановления деформации.
Эта величина характеризует физические свойства соударяющихся тел.
Отношение модуля скорости шара в конце удара к модулю его скорости
в начале удара – коэффициент восстановления при ударе:
| |
| |
где - скорость шара в конце удара;
- скорость шара в конце удара.
8
.
(2.1)
Реальные материалы всегда имеют различные потери энергии и коэффициент восстановления даже для достаточно упругих материалов лишь приближается в той или иной степени к единице. Кроме того коэффициент восстановления зависит от скорости, при которой происходит удар(k=k(v)).
Коэффициент восстановления определяет так же соотношение между
импульсами ударной силы в двух фазах:
основное уравнение удара для первой фазы
∫
,
(2.2)
для второй
(2.3)
∫
Отсюда, импульс второй фазы и суммарный импульс ударной силы в
двух фазах зависит от коэффициента восстановления:
| |
,и
| |
, следовательно
(
)
(
) .
(2.4)
Поступательное движение шарика массой m со скоростью v, составляющей некоторый угол (угол падения) к нормали неподвижной массивной поверхности (преграде) –при центробежно-шариковой обработке представлена
на схеме (рисунок 2.1).
̅
̅
Рисунок 2.1. Схема удара при центробежно – шариковой обработке
где
α – угол падения;
̅ - скорость шара в конце удара;
̅ - скорость шара в конце удара.
Основное уравнение удара:
̅.
(̅
̅)
(2.5)
Проекция векторного равенства на нормаль и касательную к поверхности:
(
)
(
)
9
(
)
(
)
.
(2.6)
Тогда
(2.7)
А коэффициент восстановления:
|̅̅̅̅|
(2.8)
|̅̅̅̅|
Поскольку коэффициент восстановления k<1, то угол отражения больше
угла падения. Угол отражения равен углу падения только в случае упругого
удара (k=1).
Модуль скорости после удара:
√
√(
√
)
(
)
√
(2.9)
При очень больших углах падения, близких к прямому углу, скорость
)
после удара приближается к скорости до удара(
Импульс ударной силы:
(√
). (2.10)
Имея значения импульса при ударе шарика о поверхность детали и используя положения теории подобия можно прогнозировать глубину проникновения его в поверхность детали и диаметр полученного отпечатка.
В работе такой подход позволил, на основании предположения о том,
что высокоскоростной удар подобен взрыву, определить диметр и глубину
проникновения метеоритов в поверхность Земли.
Объем лунки на поверхности детали определяется на основании положения о том, что их образование определяется комбинацией импульса и
энергии шарика.
(2.11)
где: E- кинетическая энергия;
S–импульс шарика;
- определяют диапазоны подобия.
Принимая во внимание результаты экспериментальных данных можно
получить значения «h» - глубины проникновения шарика в поверхность детали и «d» - диаметра отпечатка на обрабатываемой поверхности.
Значения dопределяют частоту и плотность ударных воздействий.
Значения h – косвенно характеризует глубину слоя с повышенной твердостью и остаточными напряжениями в поверхности детали.
Эпиламирование предполагает образование на поверхности твердого тела мультимолекулярных слоев с регулярно ориентированными молекулами.
Степень ориентации и толщина ориентированного слоя зависят от природы
10
твердого тела и молекул ПАВ. В пределах гомологического ряда осаждения
молекул на поверхности степень ориентации возрастает с увеличением длины молекул эпилама.
Поверхность металлической основы изделия обладает ориентирующим
влиянием из-за наличия приповерхностного электрического поля с напряженностью E ~ 109 В/м – для каждого конкретного материала эта величина
может быть оценена физическими методами. При соединении материала покрытия с основой его атомы или молекулы продолжают атомную решетку,
структуру основы. При этом они приобретают ориентацию, не свойственную
их ориентации в структуре материала, вдали от поверхности адгезионного
контакта. Это равносильно тому, что те же атомы оказываются повернутыми
ориентирующим полем материала основы распределенными вдоль поверхности контакта моментами на определенный угол , совершающими при этом
работу против внутренних сил и моментов материала покрытия. Из-за этого в
этом материале, даже в отсутствии внешних воздействий в поверхностном
слое, развивается напряженное состояние, концентрируется определенная
энергия  упругих деформаций С учетом этих причин выражение имеет вид:
h2max
   Fa .
2
(2.12)
max допустимое касательное напряжение,
h – толщина покрытия;
 – параметр Ламэ;
Fa – энергия адгезии.
Тогда при оценке допустимого касательного напряжения max оказывается справедливо неравенство:
max 
2  Fa   
2  Fa
 max 
.
h
h
(2.13)
Это неравенство свидетельствует о том, что расчет, основанный на классических представлениях об упругих свойствах поверхностного слоя материала, приводит к завышенным значениям допустимых касательных напряжений.
Для оценки величин  и  предлагается использовать микрополярную
теорию упругости. В ее основе лежит представление о том, что частица
сплошной упругой среды обладает не тремя, как в классическом случае, а
шестью степенями свободы. Соответственно для описания ее движения ис 
  
пользуется вектор перемещения u  u r  и вектор малого угла поворота r  (

r – радиус вектор центра масс частицы).
11
Выражение для вычисления объемной плотности энергии упругих деформаций w согласно этой модели можно представить в виде:
w




 

i j i j 
i j  ji  k k  nn 
i j i j 
i j  j i   k k  n n , (2.14)
2
2
2
2
2
2
Здесь ,  – классические константы, коэффициенты Ламэ; , , ,  –
дополнительные константы, нуждающиеся в экспериментальном или теоретическом (на основании физических соображений) определении;
 i j  ui , j  k j i k ; i j  i , j – тензоры деформаций материала ( k j i – трехиндексный символ Леви-Чивита; индекс после запятой означает дифференцирование по координате с соответствующим номером; ui , i – компоненты векто

ров u , 
в ортонормированном базисе ei декартовой системы координат xi ).
В выражении (2.14) осуществляется суммирование по повторяющемуся
индексу.
Учитывая, что внутренние напряжения i j и моменты  i j при постоянной

температуре выражаются через тензоры деформаций с помощью соотношений
i j 
w
 2   i j   2   i j   k k i j ,
 i j
(2.15)
w
 2   i j   2   i j    k k  i j ,
 i j
(2.16)
i j 
для объемной плотности энергии упругих деформаций w можно получить выражение:
w  i j i j    i j  i j 


 k k  n n    i j  i j    i j  i j   k k  n n .
2
2
(2.17)
В выражениях (2.15) – (2.17) круглые скобки означают симметричную
часть, а угловые – антисимметричную часть соответствующего тензора; i j –
символ Кронекера;
 
  

;
6 K
1
1
1  1
;  
;  
;  ;
4
4
4
4
  

;
6
2
K  ;
3

(2.18)
2
.
3
(2.19)
В выражении (2.17) первое слагаемое полностью соответствует классическим представлениям об объемной плотности энергии упругих деформаций. Далее, при оценке роли суммы остальных слагаемых, полагаем, что
напряжения  i j  совпадают со своими классическими значениями.
В случае плоского сдвига, представляющего интерес при рассмотрении
затронутой в данной работе проблемы, векторы перемещений и микровращений приобретают вид:
12

u  (u1 ( x2 ), 0, 0) ;

  (0, 0, 3 ( x2 )) .
(2.20)
При этом ось O x1 направлена вдоль плоскости контакта покрытия и основы в направлении действия параллельного ей касательного напряжения
  1 . Ось O x2 направлена перпендикулярно плоскости контакта. Сдвиг происходит в плоскости x1 O x2 . В результате в рассмотрении оказываются лишь
следующие величины:
1 2  u1, 2  3 ; 3 2  3, 2 ;
1
 (1 2)  u1, 2 ;
2
1
(3 2)  3, 2 ;
2
1
 1 2  u1, 2  3 ;
2
1
 2 3  3, 2 .
2
(2.21)
Уравнения равновесия в напряжениях в рамках рассматриваемой модели
среды имеют в общем случае вид:
(2.22)
ij ,i  0 ; ij ,i  ijk ik  0 .
В рассматриваемом плоском случае чистого сдвига на основании (2.22),
записав при этом второе уравнение в перемещениях, можно получить:
(2.23)
21, 2  0 ;    3, 22  2 u1, 2  4 3  0 .
Краевыми условиями для них являются соотношения:
21 h    ; 23 h  0 ; u1 0  0 ; 3 0  0
(2.24)
Первое уравнение системы (2.23) с учетом первого из краевых условий
(2.24) дает основание считать, что, как и при использовании классической
модели линейно-упругой среды, в рамках рассматриваемой модели касательное напряжение, сдвигающее покрытие, распределено по его толщине h равномерно и равно действующему сдвиговому напряжению на поверхности.
21   .
(2.25)
Этот результат, а также соотношения (2.15) и (2.16), связывающие внутренние напряжения и деформации, и последнее из соотношений (2.17) позволяют сделать вывод о том, что распределения перемещений u1 x2  и поворотов 3 x2  , а также их производных по толщине покрытия отличны от нуля.
На основании (2.19) и (2.20) с учетом (2.21) этот вывод приводит к утверждению о том, что энергию упругих деформации W, сосредоточенную под единицей площади поверхности покрытия, можно записать в виде:
h 2  1

  ( u1, 2 x2   3 x2 ) 2 d x2 
(3, 2 x2 ) 2 d x2 .
2 2 0 2
2 0
h
W
h
(2.26)
Сравнивая его с левой частью равенства (3) можно убедиться, что

1
 
   ( u1, 2 x 2    3 x 2 ) 2 d x 2 
( 3, 2 x 2 ) 2 d x 2 .
2 0 2
2 0
h
h
13
(2.27)
Видно, что классическая оценка энергии адгезии меньше по сравнению
с той, которую можно делать, приравняв (2.26) величине Fa . Очевидно, при
достаточно больших значениях  и    классическими оценками max пользоваться нельзя.
В работе для значений напряженности E ~ 109 В/м сделаны оценки:
  108 н / м2 ;     106 Дж / м . Для покрытия с толщиной h  104 м , u1  106 м ,
  103 ðàä значение величины  может оказаться соизмеримым с величиной
Fa , имеющей порядок 1 Äæ ì
2
. (При оценке величины  учитывалось, что
подынтегральная функция имеет порядок своего среднего значения, равного
полусумме ее крайних значений, а производная – отношения среднего значения к толщине покрытия). Поэтому расчет max на основании классических
представлений может привести к значительным погрешностям. Это подтверждает необходимость учета изложенных выше взглядов при расчете режимов
резания инструментами с покрытиями.
При общей оценке центробежной обработки представляет собой сложный комплекс механо-физико-химических явлений, оказывающих существенное влияние на состояние, прежде всего, поверхности и поверхностного
слоя обрабатываемой детали или среды, а при определенных условиях – и
всего объема. Физическая сущность процесса характеризуется комплексным
воздействием на обрабатываемые детали и их поверхность ряда факторов,
вызванных вибрацией, и наличием рабочей среды соответствующей характеристики.
Обычно рассматривается лишь один из механических аспектов явления
– развитие поврежденности материала из-за возникающей неоднородности
структуры. Для его описания использована неклассическая теория деформируемого твердого тела, основанная на учете нелокального многочастичного
взаимодействия его бесконечно малых элементов.
Повышение микротвердости, образование сжимающих остаточных
напряжений, является следствием изменения внутренней микроструктуры,
что, с определенной долей справедливости, позволяет считать часть материала, в которой эти характеристики отличны от основного материала, другим
по отношению к основному, находящемуся по отношению к основному в состоянии адгезии.
Предполагается, что материал тел линейно упруг, описывается на основе
теории упругости материалов второго порядка. Предложенный метод основан на учете энергетических изменений, сопровождающих явление адгезии,
происходящих в слоях материала, образующих эти структуры.
14
Допускается, что каждый элементарный участок dS 0 поверхности кажущегося контакта S 0 тел B1 и B2  является объединением двух участков
dS0  dS  dS1 .
На первом из них
dS  dS0
адгезия существует, на втором
dS1  1   dS 0 ее нет.
При образовании B  B1  B2  в этой системе происходят энергетические изменения. Среди всех возможных для системы состояний наступает то,
которое соответствует их минимуму. Поэтому в равновесном состоянии системы B  B1  B2  в отсутствии внешних механических воздействий должно выполняться равенство
F W1, 2 

 0.


Перемещение частиц тела B j  на границе S  его контакта с другим телом системы B  B1  B2  является суммой перемещений, возникающих как
при наличии адгезии, так и при еѐ отсутствии, взятых с коэффициентами,
равными относительным долям участков границы, на которых это наблюдается [2].
Представленные выше рассуждения [3] дают возможность решить поставленную задачу, рассмотрев предварительно, независимо друг от друга,
две задачи. Первая – об адгезии B1 и B2  в предположении обабсолютной еѐ
сплошности вдоль S 0 . Вторая – задача об их напряжѐнно-деформированном
состоянии при условии отсутствия их взаимных воздействий.
Выражение для избытка поверхностной энергии W1, 2  объединѐнного
тела B  B1  B2  имеет вид:
W1, 2    2W  (1  )W (1 )  (1  ) 2 W(1 )(1 )  W1, 2  .
В этой записи W численно равно работе обобщѐнных внутренних сил,
вызванных адгезионным контактом, на обобщѐнных перемещениях, вызванных также адгезионным контактом. W(1)(1) – работа обобщѐнных внутренних сил, возникающих в B j  при отсутствии адгезии, на перемещениях, появляющихся под влиянием этих сил. Ввиду этого, обе величины W и
W(1 )(1 ) положительны. Значит, зависимость W1, 2  имеет минимум. Соответствующее ему значение    0 определяется условием
15
1

2W  W 1  
 .
  1 
 2W


W
1 1 
 1  

Материалам с разными свойствами энергетически "выгодно" иметь несплошной контакт между еѐ элементами. Площадь отсутствия контакта имеет вероятностный порядок.
Попытка оторвать одно тело от другого – действуют растягивающие систему напряжения. В этом случае поля деформаций и напряжений, соответствующие случаям отсутствия адгезии и ее наличия, изменятся. При этом
меняются только величины W и W(1) , а величина W(1 )(1 ) не меняется.
Это происходит потому, что сцепления вдоль участка, где адгезия отсутствует, нет. Растяжение приводит к движению частей контактирующих тел над
этими участками как абсолютно твердых тел. В этом случае знаменатель
дроби формулы для коэффициента  за счет роста W будет увеличиваться,
а значение  будет уменьшаться. Если же систему тел сжимать, то это приведет к увеличению всех значений W , W(1) и W(1 )(1 ) .
Существенное влияние на взаимодействие тел может оказать эпиламированные покрытия инструмента. Онаменяет характер адгезионного воздействия, а при нанесении смазочно- охлаждающих технологических сред
(СОТС) может исключить адгезионное взаимодействие.
Современные эпиламы – высоко эффективные средства регулирования
смачивания, и если в узле трения часть контактирующих поверхностей эпиламированна, а часть неэпиламированна, то масло будет стремиться собраться на неэпиламированном участке. В зоне контакта трущихся тел эпилам
стирается и масло стремиться собраться на этом участке поверхности. На
прилегающих участках эпилам сохраняется и служит барьером, предотвращающим растекание масла.
Удельная свободная энергия (или численное равное ей поверхностное
натяжение твердых тел) не поддается непосредственному измерению, однако
на основании теоретических исследований, подтвержденных косвенными
измерениями, для тел высокой твердости, определено, что σ >> 500 эрг/см2.
Чем выше твердость и температура плавления, тем больше свободная энергия твердого тела: ее величина может достигать 5000 эрг/см2. К телам высокой энергии принадлежат металлы и их окислы – сталь, рубин и др.
Поверхностное натяжение масел составляет величину в пределах 20 -40
эрг/см2. Механизм растекания некоторых смазочных жидкостей имеет сложный характер: сначала растекается тонкий граничный слой, который, ориентируясь под действием силового поля твердого тела, создает поверхность
16
низкой энергии. На этой поверхности остальная масса не растекается. Однако
в настоящее время созданы масла с низкой поверхностной энергией, не обладающие способностью образовывать граничные слои. Поэтому для предотвращения растекания таких масел необходимо понизить поверхностную
энергию твердых поверхностей. Это достигается тем, что на поверхности
твердых тел создаются слои ориентированных молекул, радикально меняющих энергетические свойства поверхности. При этом резко меняются условия смачивания и краевой угол смачивания капли жидкости на такой поверхности растет.
При эксплуатации инструмента с применением СОТС, формируется
многослойное покрытие, представляющее собой нанопленкуэпилама, удерживающую пленку СОТС.
Основной эффект от нанесения тонкой пленки эпилама на рабочую поверхность инструмента заключается в удержании масла в зоне контакта,
снижении коэффициента трения, длительного сохранения работоспособности. Дополнительным преимуществом работы эпиламированным инструментом является адсорбционное снижение прочности обрабатываемого материала, увеличение пластифицирующего действия СОТС, уменьшение сил деформации вследствие проявления эффекта Ребиндера.
Третья глава посвящена методике экспериментальных исследований.
Для оценки влияния эпиламов на стойкость инструмента и проведения
экспериментальных исследований в равных условиях 5- ти рядный сепаратор
был условно разделен на пять зон (по рядам дорожек инструментальной среды). Количество инструментальной среды (шариков) в каждой дорожке составило 38 штук:
1 зона – обработанная инструментальная среда и поверхность сепаратора
эпиламом ЭФРЕН-2;
2 зона - обработанная инструментальная среда эпиламом ЭФРЕН-2;
3 зона – без обработки эпиламирующими составами;
4 зона - обработанная инструментальная среда эпиламом 6СФК-180-05;
5 зона - обработанная инструментальная среда и поверхность сепаратора эпиламом 6СФК-180-05;
17
Рисунок 3.1Развертка рабочей поверхности инструмента
2
1
Рисунок 3.2 Общий вид инструмента и обрабатываемой детали
1. Лонжерон
2. Упрочнитель
Материал инструментальной среды: шарикоподшипниковая сталь
ШХ15 Ø 7мм.
Экспериментальные исследования проводились на модернизированномтокарном станке 1К62.
Режимные условия обработки выбирались в соответствии с базовым
технологическим процессом:
Число оборотов упрочнителя: n = 2500об/мин;
Число оборотов изделия n1 = (5 – 6) об/мин;
Продольная подача упрочнителяS = (50 – 55) мм/мин;
Усилие отрыва упрочнителя от лонжерона 8,5±0,25 кг;
Первый проход производился при встречном вращении упрочнителя и
изделия, второй проход при попутном вращении. Перед выполнением операции наклепа поверхность лонжерона тщательно протирали чистой салфеткой,
после чего обильно смазывалась маслом. В ходе проведения эксперимента
18
упрочнитель периодически разбирали и смазывали подшипники смазкой
ЦИАТИМ – 201 ГОСТ 6267 – 74.
Длина лонжерона составляла 900 мм, время одного прохода 8 мин.
Согласно паспорту поверки упрочнителя продолжительность работы
упрочнителя составляет 60 часов.
Поэтому общее количество экспериментальных часов работы упрочнителя составило 60 часов.
В качестве смазки использовалось индустриальное масло И20А ГОСТ
20799- 75.
Сила отрыва замерялось с помощью динамометра ДПУ – 001 – 2 ГОСТ
13837 – 68.
Реверсивное движение упрочнителя осуществлялось с помощью специального блока управления, установленного на силовом щите станка.
Для слежения за ходом процесса обработки использовали стробоскоп
типа СТ – 2.
Для сравнительной оценки износа сепаратора в процессе работы были
проведены измерения отверстий сепаратора на величину Δ -вылета инструментального шарика относительно поверхности сепаратора до и после проведения экспериментальных исследований. Измерения производились пятикратно для каждого отверстия специальным приспособлением согласно разделенных зон эпиламирования.
Для сравнительной оценки износа сепаратора в процессе работы были
проведены измерения отверстий сепаратора на величину Δ -вылета инструментального шарика относительно поверхности сепаратора до и после проведения экспериментальных исследований. Измерения производились пятикратно для каждого отверстия специальным приспособлением согласно разделенных зон эпиламирования.
В четвертой главепроведен анализ экспериментальных данных влияния
тонкопленочного покрытия на сопряженные поверхности инструмента.
Стойкость упрочнителя рассматривалась с позиции трех составляющих:
- размерная стойкость сепаратора,
- износ инструментальной среды,
- размерная стойкость внутренней обоймы упрочнителя.
Упрочнители данного типа относятся к группе специальных инструментов центробежно – ударного действия. При этом инструментальная среда
находится на периферии вращающегося инструмента и удерживается сепаратором. При взаимодействии с обрабатываемой деталью (лонжероном) происходит отскок шарика от сепаратора и удар о внутренную обойму упрочнителя.
19
Соответственно надо рассматривать несколько процессов влияния эпиламов на размерную стойкость упрочнителя:
- способность эпиламированной инструментальной среды сопротивляться ударным нагрузкам, т.е. сохранять размерную стойкость обоймы,
- способность эпиламов влиять на процесс пластической деформации за
счет удержания смазки в зоне резания, соответственно приводящих к уменьшению технологических дефектов инструментальной среды, как микротрещины, отдельные царапины, риски, вмятины, и др.,
- способность эпиламов снижать интенсивность контактного взаимодействия инструментальной среды с поверхностью сепаратора, т.е. сохранять
размерную стойкость сепаратора;
Анализ экспериментальных данных показал, что наибольший износ
обоймы упрочнителя наблюдался в зоне без обработки эпиламирующими составами. Положительное влияние на величину износа обоймы наблюдалось
при обработке эпиламами инструментальной среды. Наибольший эффект по
стойкости был достигнут при нанесении покрытий на инструментальную
среду и сепаратор. По оси ординат – размер отпечатка шара на обойме (d,
мм), по оси абсцисс – положение шара в сепараторе. Испытания проводились
в течение 60 часов.
Нанесенное покрытие эпилама в данном случае выполняет роль граничной смазки, способствует удержанию масла в зоне ударных нагрузок. При
этом технологическая эффективность масла в зоне ударных нагрузок реализуется через ее функциональные действия - смазочное, демпфирующее, пластифицирующее.
При контактном взаимодействии инструментальной среды и сепаратора
происходит изнашивание поверхностей под действием трения и ударных
нагрузок. Результатом изнашивания является износ – изменение размеров,
формы, массы или состояния поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок, либо разрушения (изнашивания)
поверхностного слоя при трении.
В результате изнашивания изменяются размеры инструментальной среды и сепаратора, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями,
вызывающие биение и стук.
Для снижения напряжений в точке контакта при вибрационной обработке необходимо использование масляных СОТС. Наличие смазки в зоне контакта оказывает пластифицирующее влияние, а так же способствует уменьшению силы трения в зоне контакта инструментальной среды и сепаратора.
Наличие пленки на рабочих поверхностях инструментальной среды и
сепаратора способствует проникновению и удержанию масла в зоне контак20
та. В результате нарушения целостности покрытия эпиламов, происходит образование энергетических барьерных участков, препятствующих удалению
масла из зоны трения, что способствует снижению сил трения и адгезии в
зоне контакта.
Из анализа экспериментальных данных можно выделить несколько видов износа. Для инструментальной среды это:
- усталостное разрушение и выкрашивание поверхности;
- натиры;
- мелкие царапины;
- задиры
Характерной особенностью является то, что при покрытии эпиламирующими составами 6СФК-180 - 05 и ЭФРЕН -2 только инструментальной
среды показатели по дефектам выше в процентном отношении к показателям
когда происходило эпиламирование инструментальной среды и поверхности
сепаратора, что говорит об образовании участков с большой поверхностной
энергией и удержании масла на поверхности не только инструментальной
среды, но и на поверхности сепаратора.
В результате контакта инструментальной среды и сепаратора возникают
большие ударные нагрузки на поверхность сепаратора приводящие к износу.
Можно выделить два вида изнашивания:
- механическое изнашивание, характеризующееся энергией удара инструментальной среды по поверхности сепаратора. В зависимости от геометрических параметров, материала сопрягаемых поверхностей, а также свойств
инструментальной среды и технологических факторов, энергия удара различным образом распределяется между инструментальной средой и поверхностью сепаратора.
- абразивное изнашивание, происходящее в результате режущего или
царапывающего действия твердых тел (инструментальной среды и поверхности сепаратора). Такое изнашивание возникает при большом давлении в поверхностном слое контактирующих поверхностей и недостаточностью доступа смазочной среды (масла) в зону контакта.
Наличие пленки на рабочих поверхностях инструментальной среды и
сепаратора способствует проникновению и удержанию масла в зоне контакта. В результате нарушения целостности покрытия эпиламов, происходит образование энергетических барьерных участков, препятствующих удалению
масла из зоны трения, что способствует снижению сил трения и адгезии в
зоне контакта, при этом п. 3 технологическая эффективность масла в зоне
ударных нагрузок реализуется через ее функциональные действия - смазочное, демпфирующее, пластифицирующее.
21
Наименьший износ поверхности сепаратора наблюдался при эпиламировании инструментальной среды и поверхности сепаратора эпиламом и
ЭФРЕН – 2.
Следует отметить общее снижение диаметральной величины разброса
отверстий сепаратора в 1,2 раза, связанное со снижением шероховатости поверхностей трения (инструментальной среды и поверхности сепаратора),
уменьшению количества неровностей Н0max и Нmax , которые деформируются
в процессе работы трибосопряжения при нанесении покрытий эпиламов
(6СФК -180 -05, ЭФРЕН – 2).
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Разработан метод управления параметрами вибрационной обработки
сложных номинальных поверхностей детали с помощью эпиламирования
производящих элементов инструмента.
2. Установлено, что введение дополнительных параметров в способы
поверхностного пластического деформирования, сопровождающиеся расширением их возможностей – повышением производительности и улучшением
свойств поверхностного слоя заготовки. Показано, что сочетание смазочноохлаждающих технологических сред (СОТС) и поверхностно – активных веществ обеспечивает благоприятные условия для эксплуатации инструмента.
Подчеркивается, что работа эпиламированного инструмента без СОТС нежелательна, так как в этом случае наблюдается быстрое истирание нанопленокэпилама.
3. Установлено, что расчеты касательных напряжений, возникающих в
граничных зонах «инструмент – эпилам», проведенные на основании классических представлений приводят к завышенным значениям. Предлагается
применять положения микромолекулярной теории упругости, позволяющие
наиболее достоверно прогнозировать стойкость поверхностно – активных
покрытий.
4. Создана математическая модель удара при больших углах воздействия
деформирующего тела. Высказано предположение, что на основании теории
подобия объем вмятины на обрабатываемой поверхности может быть с достаточной для практики точностью определен комбинацией импульса и кинетической энергией шарика, причем влияние величины импульса минимально.
5. Выявлено, что при взаимодействии материалов с разными свойствами
энергетически «выгодно» иметь несплошный контакт между взаимодействующими элементами поверхностей инструмента и детали.
22
6. Установлено, что эпиламирование рабочих поверхностей инструмента
существенно изменяет характер сопротивления адгезионному взаимодействию, эффективность которого в значительной степени повышается при
применении СОТС (смазочно – охлаждающих технологических сред).
7. Показано, что анализ экспериментальных данных подтверждает теоретические положения, что при использовании эпиламирующих покрытий
количество дефектной инструментальной среды резко снижается. Так при
эпиламировании инструментальной среды и поверхности сепаратора эпиламами 6СФК -180 – 05 и ЭФРЕН – 2 усталостного разрушения и выкрашивания не наблюдалось. Вместе с тем при анализе рабочих поверхностей инструмента в производственных условиях данные дефекты составляли
5,2%.При обработке эпиламом ЭФРЕН-2 покрытий натиры на поверхности
инструмента составили 2,6% что в 2 раза ниже полученных при производственных испытаниях - 4,3% и необработанной экспериментальной среды –
5,3% соответственно.
8. Установлено, чтозадиры на контактирующей поверхности инструмента являются следствием абразивного износа и проявляются в виде глубоких
царапин. У неэпиламированной инструментальной среды и поверхности сепаратора процент износа составляет 78,9% (экспериментальные данные) и
87,9% соответственно (производственные испытания). При обработке эпиламом 6СФК-180 - 05 (инструментальная среда и поверхность сепаратора) количество данного вида дефектов снизилось в 3 раза и составило 21%, а при
использовании эпилама ЭФРЕН -2 (поверхность шариков и сепаратора) процент задиров составил 7, 9%, что говорит о снижении общих дефектов более
чем в 7 раз.
9. При изготовлении устройства «упрочнитель» в условиях ОАО «Росвертол» стоимость инструмента составляет ~200 тыс. рублей. Применение
нанопокрытийэпилама6СФК-180 - 05 и ЭФРЕН -2 позволяет расширить ресурс эксплуатации в 7 раз, что дает возможность получить экономический
эффект проведенной научной работы около 1200 тыс. рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах
Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Селеменева О.В.Влияние эпиламов (ПАВ) на физико – технические
свойства инструментов при низкоскоростной механической обработке
[Текст] / Киричек А.В., Селеменев М.Ф., Селеменева О.В. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» №2 (322), ОГУ имени
И.С.Тургенева, 2017г. С.- 85-96
2. Селеменева О.В.Теоретический анализ стойкости эпиламирован23
ныхпокрытий инструмента при поверхностном пластическом деформировании. [Текст] / Селеменева О.В., Селеменев М.Ф., Фроленкова Л.Ю., Тарапанов А.С. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»
№ 1 (327), ОГУ имени И.С.Тургенева, 2018 г. С.- 37-43.
3. Селеменева О.В.Влияние эпиламирования инструмента на неоднородность упрочнения и прочность материала при центробежной обработке[Текст] /Селеменева О.В., Селеменев М.Ф., Фроленкова Л.Ю., Тарапанов
А.С., Кузнецов Ю.А.,И.Н. Кравченко, «Технология металлов», № 10, Москва,
2018, С. 28-40.
Список публикаций в других изданиях:
4. Селеменева О.В. Применение нейронных сетей в системе управления
формообразованием на финишных операциях. [Текст] / Овсянникова И.В.,
Рогозянская Е.А., Селеменев М.Ф., Селеменева О.В. Труды международной
научно-технической конференции «Виброволновые процессы в технологии
обработки деталей высокотехнологичных изделий». Ростов-на-Дону, ДГТУ,
2017 г. С.- 109-111.
5. Селеменева О.В.Перспективы повышения эффективности поверхностного пластического деформирования. [Текст] / Селеменева О.В., Селеменев М.Ф., Овсянникова И.В., Фроленкова Л.Ю., Тарапанов А.С.Труды
международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию
заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., почетного профессора
ДГТУ А.П. Бабичева. «Перспективные направления развития отделочноупрочняющей обработки и виброволновых технологий». Ростов-на-Дону,
ДГТУ, 2018 г. С.- 83-85.
6. Селеменева О.В. Определение параметров пластического деформирования поверхностного слоя при центробежно – шариковой обработке. [Текст]
/ Селеменева О.В., Селеменев М.Ф., Тарапанов А.С.ТрудыV региональной
научно-практической конференции им. академикаА.Г.Шипунова, ЛивныТула, ОГУ им. И.С. Тургенева, 2018 г.С.- 115-120.
7. Селеменева О.В. Повышение долговечности виброударного инструмента при эпиламировании контактирующих поверхностей. [Текст] / Митрохин А.А., Селеменев М.Ф., Селеменева О.В. ТрудыV региональной научнопрактической конференции им. академика А.Г.Шипунова, Ливны - Тула,
ОГУ им. И.С. Тургенева, 2018 г.С.- 57 - 60.
24
25
26
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа