CC BY
90
УДК 621.9.047
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННОМ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ
Д.М. Небольсин, Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев
В статье представлены результаты экспериментальных исследований режимов комбинированной обработки микрошариками внутренних поверхностей деталей из трубных заготовок, показано влияние выбора режимов на качество обрабатываемых изделий
Ключевые слова: микрошарики, комбинированный процесс, газожидкостная среда
Экспериментальные исследования влияния режима и условий комбинированной струйно-динамической обработки плоских типовых образцов в газожидкостной токопроводящей среде на эффективность их поверхностного упрочнения проводились на установках эжекторного типа [1, 2].
Для исследования влияния режима и условий струйно-динамической обработки плоских типовых образцов микрошариками на эффективность их поверхностного упрочнения использовались плоские образцы из закалённой стали У8А (твёрдость ИЯС 45...50, микротвёрдость Я0>4р=3500МПа). Номинальные размеры образцов, мм: 1,2х20х70.
В качестве рабочей среды использовались стальные микрошарики диаметром 0,05...0,3 мм из порошка инструментальной стали Р6М5. При обработке использовался сопловой насадок с внутренним диаметром 10+1 мм. Расстояние вдоль оси сопла между его срезом и обрабатываемой поверхностью составляло £=50+10 мм. Диаметр активной зоны потока рабочей среды (микрошариков) на этом расстоянии составлял 30 мм. Напряжение в системе 210 В, расход газожидкостной слабопроводящей среды - 2 м3/мин.
Обработку образцов осуществляли при их вращении с имитатором детали в одной плоскости, с радиусом вращения центров обрабатываемых поверхностей образцов, равным 100 мм. Скорость вращения пвр=100об/мин. Имитатор с плоскими образцами в камере струйно-динамической установки показан на рис. 1. Эксперимент проводился с числом опытов - 8 и числом повторных опытов - 3.
Небольсин Данила Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 89103442922
Сухочев Геннадий Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2583715
Коденцев Сергей Николаевич - ОАО КБХА, канд. техн. наук, гл. инженер ЗРД , тел. (473) 2634175
Рис.1. Имитатор с плоскими образцами в камере струйно-динамической установки
Варьируемые в эксперименте факторы и их натуральные и кодированные уровни приведены в таблице 1, где время обработки участка поверхности ^ устанавливалось в соответствии с временем ґобр обработки вращающихся с оснасткой плоских образцов. При этом:
где Д,р=100 мм - диаметр вращения образцов в процессе обработки;
йаз=30 мм - диаметр активной зоны потока рабочей среды на расстоянии 50 мм от среза сопла.
Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в таблице 2. Мера эффективности поверхностного упрочнения плоских образцов -глубина наклёпа и величины остаточных напряжений сжатия. Поэтому величина 2об прогиба образцов определена как целевой параметр эксперимента. Величина 2об измерялась с точностью +0,01 мм [1]. База измерений составляла 70 мм.
I
Таблица 1
Варьируемые факторы и их натуральные и кодированные уровни
№ п/п Варьируемые факторы Обозначение Размерность Код Уровни факторов Интервал варьирования
+ 0 -
1 Избыточное давление воздуха в пневмосистеме установки Р МПа Хі 0,3 0,25 0,2 0,05
2 Время обработки участка поверхности вращающегося образца с Х2 60 30 10 20
3 Угол соударения рабочей среды и поверхности образца а град Хз 90 60 30 30
4 Параметр достижимой шероховатости поверхности образца Яа исх мкм Х4 1.8 1.2 0.6 0.6
Таблица 2
Матрица планирования и результаты эксперимента
№ п/п Х1 Х2 Х3 Х4 Х1 Х2 Х1 Х3 Х1 Х4 ~2 об
1 + + - - + - - 0,22
2 - - - - + + + 0,12
3 + - - + - - + 0,04
4 - + - + - + - 0,01
5 + + + + + + + 0,76
6 - - + + + - - 0,64
7 + - + - - + - 0,89
8 - + + - - - + 0,97
9 0 0 0 + 0 0 0 0,51
10 0 0 0 - 0 0 0 0,64
Зависимость целевого параметра Y= Zоб от совокупности варьируемых факторов представлена в виде неполного квадратичного уравнения: Y=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b12x1x2+b13x1x3+b14x1x4.
После начисления коэффициентов этого уравнения по данным таблицы 2, оценки их значимости по критерию Стьюдента (для 5% уровня значимости) и исключения незначимых коэффициентов, уравнение имеет вид:
Y=0,456+0,021x1+0,034x2+0,395x3-0,094x4 — 0,021x1x2 .
По абсолютным величинам коэффициентов уравнения регрессии можно сделать вывод о том, что на величину прогиба образцов наибольшее влияние оказывает угол соударения рабочей среды с обрабатываемой поверхностью и исходная шероховатость этой поверхности.
После перехода от кодированных к натуральным значениям факторов уравнение регрессии имеет вид:
Zоб= -0,364+1,68Р+0,014(1+0,01 а—0,15Ка исх— 0,042Р1
На рис. 2 показаны графики зависимостей Zоб=f (а, (1, Яа исх) для типовых плоских образцов из стали У8А. Анализ зависимостей показывает, что уменьшение угла соударения значительно уменьшает достижимую величину прогиба образцов Zоб.
Достижимая шероховатость поверхности тоже значительно влияет на величину Zоб: так как установлено, что, увеличение давления Р уменьшает влияние достижимой шероховатости поверхностей образцов на величину их прогиба.
Ъв, мм
а)
?ОБ, ММ
/
Р тах =0,6 мкм =30 с \ /у ГУ
Р тХ=0,6 'МЩ(1=30 С Х | | | |\ У У * л У У *
Р таХ =1,2 МКМ^=30 С ^ 1 1 1 1\ / у V' Г J Г у
Р т х =1,2 м жм ^ =30 С у/ У , / Г / У А г / /
Л / . У у
А' / ^ / 4 / / у ' / У
Л / г у / у г / /\ Р т х =1,8 м км ^ 30 С
// / у / / Р *5 тах =1,8 м км ^ 30 С
у у
0 30 60 90 ¡Щад
б
Рис. 2. Графики зависимостей 2об = /(аЛь Яаисх) для плоских типовых образцов из стали У8А при Р=0,3 МПа: а) без газожидкостной среды б) с газожидкостной средой
Экспериментальное определение влияния времени обработки участка поверхности на прогибы образцов из различных материалов осуществлялось при одинаковых условиях обработки: Р=0,3 МПа, а=600, Ь=50мм, ивр=100об/мин., Каисх=0,4мкм (рис. 3). Образцы изготовлялись из следующих материалов: У8А, 40ХН2МА, 40Х, 30ХМА, 20Х13. Все образцы, кроме образцов из стали У8А, были термообработаны по технологии натурных деталей, изготавливаемых из этих материалов.
Т(ъ, мм
Рис.3. График зависимостей прогибов плоских образцов из различных материалов от времени ^ их обработки в одинаковых условиях (Р=0,3 МПа, а= 900, Яа исх=0,4 мкм)
Для обработки использовали по 3 образца из каждого указанного материала, а результаты обработки определяли как среднее арифметическое определяемых величин. Графики изменений шероховатости поверхностей образцов по времени /упр обработки показаны на рис. 4.
Ра, мкм
Рис. 4. График зависимостей шероховатости плоских образцов из различных материалов от времени ^ их обработки в одинаковых условиях (Р=0,3 МПа, а=600, Яа исх=0,4мкм)
Зависимости 2об=/((упр), показанные на рис. 3, позволяют сделать вывод о том, что наибольшей склонностью к пневмодробеструйному поверхностному упрочнению стальными микрошариками обладают сплавы 40ХН2МА, 40Х, 30ХМА. Из графика зависимостей Яа=/^упр), показанного на рис. 4, следует, что параметр Яа шероховатости поверхностей, достижимый при пневмоддробеструйной обработке за 40 с стальными микрошариками диаметром 0,05...0,3 мм, составляет [3]:
- для сталей 40ХН2МА, 40Х, - Яа=1,9...2,3 мкм;
- для стали 20Х13 и стали У8А - Яа=1,35...1,7 мкм.
Существующие в настоящее время техпроцессы изготовления деталей предусматривают выполнение операций их пневмодробеструйного упрочнения при времени обработки участков поверхностей /ь=60+5 с. По результатам данного эксперимента, для повышения эффективности обработки деталей, можно рекомендовать ораничение времени обработки до = 40+5 с, особенно, для деталей, изготовляемых из сплавов 40ХН2МА и 30ХМА. При этом достижимые параметры Яа шероховатости обрабатываемых поверхностей можно снизить относительно вышеуказанных значений за счет оптимизации угла подачи шариков. Взаимосвязь показателей качества дробеструйного упрочнения (при /ь=40с) плоских образцов из различных материалов иллюстрируются данными табл. 3 , где:
Таблица 3
Исходные механические характеристики плоских образцов из различных материалов и показатели их пневмодро-беструйного поверхностного упрочнения в одинаковых условиях (^=40 с, Р=0,3 МПа, а=900, Яа исх=0,4 мкм)
Кпр - отношение прогиба образца из материала детали к прогибу контрольного образца из ст. У8А;
Кт - отношение глубины наклёпа образца из материала детали к глубине наклёпа контрольного образца из стали У8А;
Квдо - отношение степени наклёпа образца из материала детали и степени наклёпа контрольного образца из стали У8А.
Состояние поверхности плоских образцов-сви-детелей после комбинированной обработки с ограничением по времени до 40 с показано на рис. 5.
Рис. 5. Плоские образцы-свидетели после комбинированной обработки в течении 40 с.
В результате проведенного опробования способа комбинированной отделочно-упрочняющей обработки глубоких отверстий по предложенному способу на выбранных в результате экспериментальных исследований были получены удовлетворительные результаты по всей обрабатываемой поверхности длинномерной штатных деталях типа труба, ствол, гильза плашка [4].
Литература
1 Сухочев Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. - М.: «Машиностроение», 2004. - 287 с.
2 Сухочев Г.А. Проблемные вопросы создания подземного газодобывающего оборудования / Г.А. Сухочев, Д.М. Небольсин // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр., Воронеж: ВГТУ, вып. 3, 2008. - С. 87-90.
3 Технологии производительного формирования комбинированными методами поверхностей полостей и каналов под нанесение защитных покрытий / Г. А. Сухо-чев, Е.Г. Смольянникова, С.Н. Коденцев, Д.М. Небольсин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 11(59). - С. 49-54.
4 Технологическое обеспечение качества нанесения защитных покрытий комбинированной обработкой / Г. А. Сухочев, О.Н. Кириллов, А.М, Кадырметов, Д.М. Небольсин, Е.Г. Смольянникова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - № 8(68). - С. 39 - 44.
£ СЙ Л 1 СЙ * & 2 Предел текучести, стт,МПа Твёрдость, НВ, МПа О О N ,в о S р ю о ю и и о Пр Глубина наклёпа ан об, мм Микротвёрдость наклепанного слоя, Н049, МПа Степень наклёпа єн, % Кпр Кнг Кндс
1 40ХН2МА 870 3100 0,80 0,045 3100 24 1 1 1
2 40Х 840 3050 0,82 0,050 3200 30 1,04 1,13 3,2
3 30ХМА 790 2350 0,85 0,070 3050 29 1,08 1,44 4,5
4 20Х13 420 2050 1,10 0,060 2100 44 1,43 1,52 5,1
Воронежский государственный технический университет ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж)
RESEARCH OF MODES OF THE COMBINED PROCESSING OF INTERNAL SURFACES
D.M. Nebolsin, G.A. Suhochev, S.N. Kodentsev
The article results of experimental researches of modes of the combined processing by microballs of internal surfaces of details from trumpet preparations are presented, influence of a choice of modes on quality of processable products is shown Key words: the microballs, the combined process, the gas liquid environment
