CC BY
19
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
91
При скорости более 9,0 мм/с сплошной монолитный валик не образуется- покрытие кристаллизуется в виде цепочки или отдельных капель. Оптимальной скоростью обработки можно считать 1- 4 мм/с.
С увеличением расхода порошка с 0,3 до 0.8 г/с, толщина наплавки изменяется от 0,2 до 3,5 мм. Однако и при этом лучшее качество валиков достигается при меньших скоростях и при вдувании порошка вслед движению образца.
На следующем этапе экспериментально было установлено влияние на процесс зоны вдувания порошка L1 и угла наклона сопла а, вслед и навстречу движения (рис.3).
Максимальная высота слоя получена при а= 30 град., при подаче порошка в центральную часть траектории сканирования. При этом направление движения образца существенного влияния не оказывает.
При а= 45 град процесс наплавки следует осуществлять только вслед движению и внесение порошкового материала должно производиться в переднюю часть траектории сканирования.
^мм
■L1=-5mm+
■L1=-5mm,-
■ L1=0,+
■ L1=0,-■L1=+5mm,+ ■L1=+5mm,-
Рис. 3. Зависимость высоты наплавленного слоя от угла наклона сопла и зоны вдувания газопорошковой струи вслед и
навстречу движению
Выводы
Анализ полученных результатов по зависимости высоты наплавленного слоя от угла наклона сопла и зоны вдувания газопорошковой струи навстречу и вслед движению позволяет сделать выводы, что:
1. Оптимальной скоростью обработки можно считать 2 мм/с. При этой скорости сохраняется баланс высоты, качества наплавленного слоя и термического влияния на основу.
2. При вдувании порошка в переднюю часть L1=+5 траектории сканирования лазерного луча рост наплавленного слоя происходит незначительно, а угол наклона практически не влияет на высоту слоя, что объясняется недостатком присадочного материала..
3. При внесении порошка в заднюю часть L1=-5 траектории высота наплавки уменьшается из-за недостатка энергии на его плавление, а слой образуется за счет расплавление частиц порошка, попавших в ванну расплава подложки.
4. Наилучший результат показали опыты с внесением порошка в центр траектории сканирования. При
этом процесс формирования слоя идёт по оптимальному сценарию и образуется полноценный качественный наплавленный слой.
5. Оптимальный угол наклона сопла является 30 град. При увеличении угла увеличивается горизонтальная составляющая скорости полёта частиц и порошок сдувается с места обработки. При уменьшении угла- частицы порошка экранируют излучение, что приводит к невозможности расплавления подложки.
Список литературы
1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н.. Шибаев В.В. Вли-
яние некоторых технологических факторов на особенности формирования валиков при лазерной газопорошковой наплавке.//Порошковая метал-
лургия. 1984, №9, с. 39-41.
2. Абильсиитов Г.А., Сафонов А.Н. Лазерная наплавка и обработка износостойких рокрытий// Сварочное производство, 1983, №9, с.16-17.
МЕХАНИЗМЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ МИКРОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ПРИ АЛМАЗНОМ ВЫГЛАЖИВАНИИ
Иванов Виталий Евгеньевич
Канд. физ-наук, доцент кафедры «Физика», г. Тамбов Фидаров Валерий Хазбиевич
Канд. технич. наук, доцент кафедры «Компьютерно-интегрированные системы в машиностроении», г. Тамбов АННОТАЦИЯ
Приводится описание алмазного выглаживания, как метода повышения качества поверхности деталей. Разработан инструмент, предназначенный для упругого выглаживания наружных поверхностей стальных деталей. Рассмотрены механизмы поверхностной микропластической деформации.
92
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ABSTRACT
Description over of the diamond pressing is brought, as a method of upgrading of surface of details. The instrument intended for the resilient pressing of outward surfaces of steel details is worked out. The mechanisms of superficial microplastic deformation are considered.
Ключевые слова: поверхность, алмазное выглаживание, инструмент.
Keywords: surface, diamond pressing, instrument.
Эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени определяются качеством их рабочих поверхностей. Оно характеризуется шероховатостью, волнистостью [3, с. 30], а также совокупностью физико -механических свойств поверхностного слоя.
Несмотря на микроскопические размеры неровностей, образующих шероховатость, они оказывают существенное влияние на такие свойства деталей и их сопряжений как трение и износ; способность удерживать смазку, контактные деформации; концентрация напряжений и усталостная прочность; надежность прессовых соединений; коррозионная стойкость; контактное сопротивление на сдвиг; электрохимическая неоднородность поверхности, а также прочность и качество покрытий [1, с. 125]. Поэтому технологическое обеспечение заданной шероховатости поверхностей деталей являются важными и ответственными задачами машиностроительного производства.
Шероховатость поверхности детали определяется совокупностью применяемых технологических методов, приемов и режимов обработки. В основном формирование шероховатости поверхности деталей происходит на заключительной стадии обработки. Однако в ряде случаев наблюдается существенное влияние предшествующих технологических операций.
Шероховатость поверхности, например при точении, шлифовании, полировке зависит от режимов обработки, геометрии инструмента, износа режущей кромки,
структуры и механических свойств материала детали и инструмента, наличия смазочно-охлаждающей жидкости и др. Изменяя условия обработки, изменяют качество поверхности детали. Вместе с тем возможности достижения оптимальных по условиям эксплуатации параметров качества поверхности деталей при одних способах обработки являются ограниченными, поэтому возникает необходимость разработки и применения альтернативных методов обработки.
Одними из наиболее простых и эффективных методов повышения качества поверхностей деталей являются методы поверхностно - пластического деформирования, среди которых важная роль принадлежит алмазному выглаживанию [2,с. 50, 4, с. 225, 5, с. 150].
Преимущество этого метода заключается в том. что при выглаживании происходит уменьшения шероховатости поверхности и одновременно упрочнение поверхностного слоя (повышение микротвердости), а также повышение точности размеров и форм детали.
В качестве инструмента при выглаживании используются наконечники из природного, синтетического алмаза или композитный поликристаллический материал с рабочей поверхностью в виде сферы (рис. 1), конуса или цилиндра. Выглаживатель должен обладать высокой твердостью, низким коэффициентом трения и высокой теплопроводностью.
Рис. 1. а) Наконечник для алмазного выглаживания: 1 - наконечник, 2 - оправка приспособления, 3 - кристалл алмаза; б) Внешний вид наконечников.
Выглаживание в большинстве случаев аналогично токарной обработке. Процесс протекает в условиях трения скольжения. Важным условием является наличие смазки и охлаждения.
В Тамбовском государственном техническом университете на кафедре «Компьютерно-интегрированные системы в машиностроении» разработан инструментоправка (рис. 2), позволяющий выглаживать наружную поверхность стальных деталей типа «вал». Алмазный
наконечник 1 с рабочей поверхностью в виде сферы, закрепленный винтом 2 вставлен в подвижный шток 3, который может перемещаться внутри корпуса 4 прямоугольного сечения. Внутри корпуса находится пружина 5. Перемещение штока приводит к сжатию пружины и возникновению силы между алмазным наконечником и обрабатываемой деталью. Инструмент в сборе с пружиной тарируется по образцовому динамометру и позволяет задавать силу прижатия в диапазоне 100-300Н с шагом 50Н.
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
93
Прижатый к обрабатываемой поверхности с силой Рв инструмент внедряется в нее на глубину h, в зоне контакта возникают пластические деформации (рис. 3). При
этом происходит сглаживание исходной шероховатости, повышается твердость поверхностного слоя, изменяется его микроструктура.
Рис. 3. Схема выглаживания поверхности детали: 1- выглаживатель; 2- обрабатываемая поверхность; R - радиус выглаживателя; ts - шаг подачи; ю - угловая скорость детали.
Экспериментально установлено, что при внедрении индентора выглаживающего инструмента на глубину, превышающую наибольшую высоту неровностей профиля поверхности после чистового точения, начинается оттеснение пластически деформированного металла в направлении подачи S с образованием бокового наплыва высотой Ьн и шириной Ьн. Высота неровностей в направлении скорости (продольная шероховатость) обычно значительно меньше, чем высота поперечной шероховатости (в направлении подачи). После прохода инструмента происходит частичное упругое восстановление поверхности. Впереди выглаживателя образуется валик пластически деформированного металла, передняя поверхность выгла-живателя как правило нагружна гораздо больше, чем задняя. По этой причине в процессе выглаживания возникает тангенциальная составляющая силы Рт.
При продольном перемещении выглаживатель как бы «раздвигает» поверхностные неровности в стороны. При этом со стороны исходной поверхности образуется валик деформированного металла, а со стороны выглаженной поверхности происходит искажение профиля канавок, образовавшихся при предыдущих оборотах детали в результате пластического течения металла, выдавливаемого из-под выглаживателя в сторону выглаженной поверхности. В наибольшей степени искажается профиль канавки, образованной на предыдущем обороте.
После каждого оборота обрабатываемой детали канавка-след выглаживателя перемещается в осевом направлении на величину подачи S. При последующих обработках обрабатываемой детали происходит многократное перекрытие канавки, т.к. ее ширина больше величины подачи. Со стороны невыглаженной поверхности так же образуется валик деформированного металла, правая полуповерхность (в направлении подачи) нагружена гораздо больше, чем левая полуповерхность. Поэтому в процессе выглаживания возникает осевая сила Px.
В результате пластического деформирования обрабатываемой поверхности происходит сглаживание исходных неровностей и образование нового микрорельефа поверхности с меньшим значением шероховатости. Размер детали уменьшается на величину остаточной деформации. Величина и форма образующихся микронеровностей также зависит от неоднородности, шероховатости и твердости исходной обрабатываемой поверхности, колебаний силы выглаживания, вызванных биением детали и др.
Формирование нового поверхностного слоя при алмазном выглаживании происходит вследствие пластического деформирования обрабатываемой поверхности. Под действием радиальной силы Ру, действующей на поверхность в области контакта алмаза с деталью, возникают давления. Если их величина превышает предел текучести, возникает пластическая деформация поверхностного слоя. Этот процесс приводит к искажению кристаллической решетки.
Эффективность алмазного выглаживания различных материалов в значительной мере определяется их исходной структурой. В результате исследований установлено, что значительные деформации при обработке деталей из стали возникают в феррите, а меньшие - в мартенсите и перлите.
Высокая эффективность упрочнения поверхности объясняется высокой плотностью дефектов, образующихся в поверхностном слое, за счет концентрации дислокаций. При алмазном выглаживании плотность дислокаций в приповерхностном слое достигает своего максимального значения. С увеличением расстояния от поверхности в глубь материала плотность дислокаций уменьшается.
Основное отличие алмазного выглаживания от других методов упрочнения поверхности заключается в том, что слой материала не удаляется, а претерпевает дополнительную упругопластическую деформацию.
Высокая твердость алмаза (практически на порядок больше, чем у твердых сплавов) в сочетании с малым коэффициентом трения (0,03-0,12) дают возможность обрабатывать практически все металлы и сплавы, поддающиеся пластической деформации, в том числе закаленные стали [2, с. 55, 4, с. 325, 5, с. 150]. Малая величина радиуса закругления выглаживателя (0,5-4мм) обуславливает небольшую силу выглаживания (от 50 до 300Н), что позволяет производить обработку маложестких деталей. Следует отметить, что при силе РУ>300Н возрастает глубина упрочненного слоя, увеличивается микротвердость в нижних слоях, однако уменьшение микротвердости в верхнем тонком поверхностном слое происходит за счет уменьшения пластичности.
Как правило, алмазное выглаживание применяется после чистового точения или шлифования. В результате обработки выглаживанием обеспечивается уменьшение
94
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
шероховатости в 2,5-6 раз, увеличение несущей способности поверхности до 10 раз, упрочнение поверхностного слоя на 20-250%.
Список литературы
1. Безъязычный В. Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин // Инженерный журнал. - 2001. - № 4. - С. 9-16.
2. Кузнецов В.П., Макаров А.В., Саврай Р.А. и др. Финишная обработка термоупрочненной высокохромистой стали однопроходным алмазным выглаживанием на токарно-фрезерном центре инструментом с узлом динамической стабилизации. Вестник научно-технического развития. № 5 (45), 2011 г. С. 20-36.
3. Никифоров А.Д. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. - М.: Высшая школа, 2000. - 510 с.
4. Макаров А.В., Коршунов Л.Г., Выходец В.Б., Куренных Т.Е., Саврай Р.А. Влияние упрочняющей фрикционной обработки на химический состав, структуру и трибологические свойства высокоуглеродистой стали / А.В. Макаров, Л.Г. Коршунов, В.Б. Выходец, [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 110, № 5. - С. 530-544.
5. Суслов А.Г., Гуров Р.В., Тишевских Е.С. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / А.Г. Суслов, Р.В. Гуров, Е.С. Тишевских // Упрочняющие технологии и покрытия. -2008. - № 9. - С. 20-21.
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МАНИПУЛЯТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MATHCAD
Капера Сергей Сергеевич,
студент кафедры механотроники, г. Днепропетровск Ащепкова Наталья Сергеевна,
канд. техн. наук, доцент кафедры механотроники, г. Днепропетровск
АННОТАЦИЯ
Определены особенности составления математических моделей при использовании пакета прикладных программ Mathcad. Рассмотрен пример решения прямых и обратных задач кинематики для трёхзвенного манипулятора, работающего в цилиндрической системе координат. Ил.: 4. Библиогр.: 10 назв.
Ключевые слова: кинематическая схема, полюс схвата, преобразование координат, траектория движения.
Постановка проблемы. При решении задач кинематического анализа промышленных роботов (ПР) с помощью ЭВМ требуются программы численного решения трансцендентных уравнений и дифференциальных уравнений, коэффициенты которых являются функциями времени.
Возникла необходимость создания метода, как последовательности простых вычислительных процедур для решения подзадач, с использованием стандартного пакета прикладных программ, обеспечивающего эффективное проектирование ПР. Обоснована целесообразность использования Mathcad для решения задач динамического анализа и моделирования движения манипулятора ПР.
Анализ литературы. Манипулятор ПР обычно представляет собой открытую кинематическую цепь, жесткие звенья которой соединены кинематическими парами пятого класса [2]. Если кинематическая цепь не содержит внутренних замкнутых контуров, то число кинематических пар n определяет число степеней подвижности манипулятора [1, 2]. Положение кинематической цепи манипулятора определяют с помощью обобщенных координат qi (ОД' = 1,2,..л) характеризующих относительные перемещения в кинематических парах [1, 2, 5, 6].
Рассматривают следующие задачи кинематического анализа манипулятора: первая задача кинематики (прямая задача о положении манипуляторов), вторая задача кинематики (обратная задача о положении манипуляторов); и задачи динамического анализа манипулятора: прямая и обратная задачи динамики [1, 2, 5, 6]. Решение обратной задачи о положении манипулятора проводится как на этапе проектирования, так и на этапе синтеза управляющих воздействий [2, 6]. Следует учесть, что для манипуляторов с большим числом степеней подвижности возможно несколько наборов обобщенных координат,
обеспечивающих заданное положение особой точки. Выбор оптимального решения проводится исходя из дополнительных ограничений или критериев качества [2, 6].
Математическая модель манипулятора составляется методом Лагранжа-Эйлера или Ньютона-Эйлера, с представлением систем координат в разомкнутых кинематических цепях методом Денавита-Хартенберга [1, 2, 6].
Порядок системы дифференциальных уравнений для математической модели, составленной методом Лагранжа-Эйлера, соответствует числу обобщенных координат манипулятора [6], что может вызвать определённые трудности у студентов. В математической модели составленной методом Ньютона-Эйлера всего два уравнения: второй закон Ньютона и уравнение Эйлера для углового движения [6]. Однако, метод Лагранжа-Эйлера является более универсальным и чаще используется при моделировании движений ПР на ЭВМ [3].
В задачах дипломного проектирования рассматривается перемещение манипулятором ПР нагрузки (заготовки, инструмента, контрольно-измерительных приборов) по заданному закону движения [4]. В зависимости от назначения манипулятора на разных участках траектории ПР могут изменяться параметры нагрузки: геометрические размеры, форма, распределение масс [3, 4]. Эти особенности следует учесть на этапе составления математической модели, поскольку коэффициенты дифференциальных уравнений являются функциями обобщенных координат манипулятора и зависят от закона движения и параметров нагрузки.
Для решения данной задачи на ЭВМ можно использовать языки программирования (Fortran, Pascal, C) или математические пакеты (Matlab, Mathcad). Численные методы решения инженерных задач реализуются в среде прикладных программ Mathcad [3, 4], которая характеризуется возможностью решения линейных и нелинейных
