Научная статья на тему 'Моделирование процессов комплексной обработки отверстий'

Моделирование процессов комплексной обработки отверстий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
106
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОДЕЛИРОВАНИЕ / КАЧЕСТВО / ТРЕНИЕ / ДОРН / СУСПЕНЗИЯ / АНТИФРИКЦИОННЫЙ / УПРОЧНЕНИЕ / KEY WORD: MODELING / QUALITY / FRICTION / MANDREL / SUSPENSION / ANTIFRICTION / STRENGTHENING

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Тудакова Нина Михайловна, Кутилова Оксана Игоревна, Крайнов Вадим Владимирович

Приведены теоретические исследования технологического процесса формирования комплексного антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя внутренних цилиндрических поверхностей деталей нанесением покрытия из состава суспензии дорнованием.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Тудакова Нина Михайловна, Кутилова Оксана Игоревна, Крайнов Вадим Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODELING OF PROCESSES COMPLEX FORMING APERTURES

Theoretical research of the technological process of forming of the complex antifriction strengthened surface crating of inner cylinder surface of details by striking the crating out of suspension composition by mandreling.

Текст научной работы на тему «Моделирование процессов комплексной обработки отверстий»

УДК 621.787

Н.М. Тудакова, О.И. Кутилова, В.В. Крайнов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Приведены теоретические исследования технологического процесса формирования комплексного ан-тифрикционно-упрочненного поверхностного слоя внутренних цилиндрических поверхностей деталей нанесением покрытия из состава суспензии дорнованием.

Ключевые слова: моделирование, качество, трение, дорн, суспензия, антифрикционный, упрочнение.

Моделирование технологических процессов, направленных на повышение качественных характеристик поверхностного слоя, позволяет не только описывать те или иные стороны изучаемого объекта, явления или процесса, но и раскрывает новые стороны реально исследуемых процессов [1].

При традиционном дорновании СОЖ подается в зону обработки путем свободного обтекания инструмента и внутренней поверхности заготовки или с противодавлением [2] при одноэлементном инструменте. При свободном обтекании количество жидкости, которое увлекается в зону деформации, имеет определенный объем, в начальный момент равно объему вместимости пространства смазывающего клина. Вследствие прямолинейного поступательного движения деформирующего элемента количество жидкости в зоне клина будет уменьшаться, так как увеличивается поверхность деформированного отверстия и соответственно ее расход на поддержание слоя смазки. В результате возникает разрежение в зоне смазывающего клина, толщина слоя будет зависеть от способности смазки сопротивляться разрыву, т.е. вязкости, характеризуемой коэффициентом вязкости Увеличение разряжения за счет непрерывного уменьшения объема смазывающей жидкости в процессе дорнования приводит к разрушению смазывающего клина и разрыву смазки. При переходе некоторого критического значения толщины слоя наступает граничное и полусухое трение, влияние которых неблагоприятно проявляется при большой протяженности обрабатываемой поверхности.

Для обработки длинномерных внутренних цилиндрических поверхностей, например отверстий в деталях гидроцилиндров, разработан инструмент - дорн, позволяющий формировать антифрикционно-упрочненный поверхностный слой из суспензии антифрикционного порошка и связующего поверхностно-пластическим деформированием дорнованием [3].

На рис. 1 показан предлагаемый инструмент - дорн 1 с кольцевой канавкой 2 и радиальными каналами 3 в заборной части 4 дорна. На ленточке 5 дорна 1 расположена синусоидальная выточка 6, а сам дорн установлен на оправке 7 с осевыми пазами 8.

Обработку внутренних цилиндрических поверхностей осуществляют следующим образом. Дорну 1 сообщают рабочее движение. В момент соприкосновения заборной части 4 с обрабатываемой поверхностью по каналам 3 и кольцевой канавке 2 под давлением подается суспензия, состоящая из мелкодисперсного порошка и антифрикционного материала, например дисульфида молибдена и меди, и связующего - глицерина. Дорн под действием усилия дорнования внедряется поверхностью синусоидальной выточки в обрабатываемую поверхность в режиме скольжения со скоростью идорн.

Количество суспензии, которое увлекается в зону деформации конической (заборной) частью дорна в начальный момент времени имеет постоянный объем, равный вместимости

© Тудакова Н.М., Кутилова О.И., Крайнов В.В., 2012.

пространства. При поступательном движении деформирующего элемента в зону контакта между поверхностями детали и инструмента по каналам 3 и кольцевой канавке 2 подается суспензия, состоящая из порошка антифрикционного материала и связующего, которая в результате диффузионного взаимодействия материала частиц суспензии, подаваемого под давлением к поверхности детали и поверхностно-пластической деформации, образует анти-фрикционно-упрочненный поверхностный слой. При этом клин суспензии оказывает пластифицирующее воздействие деформирующего элемента за счет подачи ее под давлением.

Рис. 1. Дорн для формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя:

1 - дорн; 2 - канавка кольцевая; 3 - радиальный канал; 4 - заборная часть дорна; 5 - ленточка дорна; 6 - синусоидальная выточка; 7 - оправка; 8 - осевой канал; ёл - диаметр цилиндрической ленточки дорна; ёв - выточки дорна; ёо - диаметр оправки; ёк - диаметр осевых каналов; Ьв - высота выточки; Ьз - заборной конической части дорна

При дальнейшем перемещении деформирующего элемента - дорна 1 в зоне контакта его синусоидальной выточки 6, расположенной на цилиндрической ленточке 5, происходит увеличение нормальной составляющей деформирующей силы и значительное повышение удельных нагрузок и локальных температур. Последующее упругое восстановление очага деформации приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений.

Процесс комплексного формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя протекает на первом этапе в объеме вместимости пространства суспензии в условиях жидкостного трения, на втором этапе без наличия жидкостного слоя в условиях граничного и полусухого трения. Этот процесс смешанного терния, который может быть представлен в виде условной удельной силы трения т [4]:

Х = Тж + Тг-п = УЛ ducM / dh + M(1 - У ),

(1)

где д - коэффициент трения; ^ - коэффициент динамической вязкости жидкости; исм - скорость втекания суспензии; ёЬ - толщина слоя суспензии; q - давление суспензии; у - коэффициент непрерывности слоя суспензии.

Обе составляющие удельной силы трения включают коэффициент непрерывности слоя суспензии, характеризующей их взаимное влияние. При у =1 толщина жидкостного слоя не будет уменьшаться в процессе обработки ниже критической. Она полностью разделяет поверхность заготовки и инструмента, т.е. наблюдается жидкостное трение, и процесс поверхностной пластической деформации отсутствует. При у = 0 будет наблюдаться сухое трение, при котором частицы антифрикционного материала покрытия (МоБ2, Си, Сё и т.п.) будут отсутствовать в зоне контактирования.

Первая составляющая учитывает силу трения при наличии жидкостного слоя

Тж =у^ йи / йЬ. (2)

Сопротивляемость жидкости (суспензии) скольжению или сдвигу характеризует коэффициент динамической вязкости В состав суспензии входит глицерин, примерно 70...80%, являющийся ньютоновской жидкостью, динамическая вязкость которой не зависит от скорости деформации и составляет для глицерина при температуре Т = 20°С ^гл = 1,49 Пас, поверхностное натяжение глицерина при той же температуре а = 64,7-10" Н/м. Поскольку глицерин представляет собой слабый электролит, он обеспечивает возможность интенсивного растворения активных компонентов суспензии на активированных участках при трении [5].

Жидкостное трение между инструментом и деформируемой поверхностью обеспечивается гидродинамическим эффектом суспензии, возникающим при определенных соотношениях эффективной вязкости и обрабатываемых свойств металла, геометрии инструмента и частиц суспензии, скорости взаимного перемещения контактирующих поверхностей, принудительной под давлением подачи суспензии в зону очага деформации [5].

Гидродинамическое давление р суспензии

, = _£___(3)

hKp

кр

tga

где ^о - вязкость суспензии при начальных условиях; с - пьезокоэффициент вязкости; идорн -скорость дорнования; В1 - длина участка переднего конуса инструмента, участвующая в образовании гидродинамического клина:

В1=В - лд/tg a, (4)

где В - длина переднего конуса инструмента; a - угол переднего конуса инструмента; Ыд -натяг дорнования; h - критическая толщина слоя суспензии, необходимая для обеспечения

жидкостного терния:

hp = Rz + Rz д, (5)

где Rz - высота микронеровностей обрабатываемой детали; Rz д - высота микронеровностей дорна.

Принято считать, что жидкостное трение существует, когда толщина жидкостного трения h достаточна для сохранения свойств жидкостного трения, т.е. имеет место закон

Ньютона [4] :

Т = nu F/h,

, (6)

где Т - сила трения; ^ - коэффициента вязкости; и - скорость течения суспензии; F - поверхность деформируемой зоны.

Стремление к энергетической минимизации за счет замены граничного трения жидкостным позволяет более полно использовать пластические свойства металла и снизить силы контактного трения. Для этого необходимо учитывать весь комплекс явлений.

При дальнейшем уменьшении толщины слоя ккр — + ^г д происходит его разрыв

и появляется контакт между шероховатостями, локальные сварки, диффузионные процессы в пластифицируемую среду поверхности заготовки, т.е. процесс описывается второй составляющей уравнения (5):

Синусоидальная выточка 6 обеспечивает уменьшение усилия дорнования за счет уменьшения площади контактирования в радиальном направлении - масштабный фактор, а также за счет улучшения условия смазывания поверхностей уменьшается коэффициент трения (рис. 2). Синусоидальная форма выточки 6 позволяет затекать суспензии в зону цилиндрической ленточки 5 по большему периметру, увеличивая площадь контактирования суспензии с обрабатываемой поверхностью перед поверхностно-пластическим деформированием, обеспечивая большую смачиваемость поверхности.

Выдавленный деформирующим элементом материал заготовки образует волну по краям очага деформации, с гребнем которой контактирует струя суспензии (рис. 2, А-А). Величина волны внеконтактной деформации очень мала. В пределах ее поверхностный слой получает прогиб в связи с выпучиванием и сдвигом и испытывает деформацию растяжения с соответствующим его удлинением, при этом формируется активная дислокационная структура с высокими растягивающими напряжениями, что увеличивает химическую активность поверхности. Максимальные растягивающие напряжения возникают на гребне волны, в этом случае химическая активность поверхности еще больше повышается.

Поведение суспензии, взвешенной в жидкости, заполняющей замкнутый объем, показывает, что частицы суспензии не только увлекаются жидкостью посредством перемещения дорна, но и совершают весьма сложные движения относительно нее. Возникновение сложных пространственных движений частиц суспензии относительно жидкости и формируемого комплексного упрочненного поверхностного слоя зависит от геометрических характеристик

Тг _п = М(1 -у).

(7)

Рис. 2. Схема процесса диффузионного распределения суспензии:

Рсусп - давление суспензии; дсусп - распределенное давление суспензии; Яс - радиус синусоиды выточки; I - высотный параметр выточки

замкнутого объема между обрабатываемой поверхностью отверстия и выполняющим его поверхностную пластическую деформацию дорном, от динамической и кинематической вязкости суспензии, ее плотности, а также от параметров внешних форм воздействия (скорости дорнования, давления подачи суспензии в отверстия), которые возбуждают определенные формы движения.

Если принять за динамическую вязкость глицерина, а % за вязкость диперсных частиц антифрикционных материалов МоБ2, Си, Сё и т.п., то относительная вязкость суспензии

_ Лгл

п о" л,' (8)

В триботехнике применяют понятие кинематическая вязкость, как отношение динамической вязкости к плотности жидкости:

Л

у=7- (9)

где р - плотность жидкости.

При формировании комплексного упрочненного слоя необходимо определить условия, при которых частицы суспензии могут проникать с поверхности канала во внутренние области течения и достигать любой точки перемещающегося объема. Причем коэффициент вязкости суспензии можно определить [6, 7].

^ = [1 + 4,5(1-е] , (10)

где - коэффициент вязкости жидкой среды, Па-с; е - доля жидкой фазы в единице объема суспензии, д.-е.; 4,5 - поправочный коэффициент

При наличии радиальных 3 и осевых каналов 8 (рис. 1), по которым суспензия подается в зону контактирования под давлением, можно не только поддерживать давление суспензии в замкнутых зонах между зубьями дорна, но и регулировать измерением приращение давления при обработке в процессе формирования комплексного упрочненного ПС.

От площади сечения отверстия, конкретней от его конфигурации, зависит не только скорость, но и ускорение истечения суспензии (рис. 3).

Рис. 4. Варианты конструктивного исполнения отверстий подачи суспензии:

- диаметр отверстия; а?р - диаметр расширения отверстия

Расчет гидростатодинамического процесса должен быть основан на системе уравнений, включающей уравнение Рейнольдса, и уравнений, описывающих гидравлические сопротивления синусоидального элемента.

Основным условием работоспособности устройства является обеспечение требуемой несущей способности и жесткости слоя суспензии. Несущая способность зависит от давле-

ния в карманах. Распределение по длине кармана может быть определено из уравнения Рей-нольдса для потока жидкости, записанного с учетом следующих допущений [8, 9]:

• суспензия по совокупности - смазывающее вещество - представляет собой ньютоновскую жидкость;

• силы инерции и объемные силы в жидкости малы по сравнению с силами давления и трения;

изменение давления по толщине суспензии мало (др/ду=0); вязкость и плотность суспензии постоянны; стенка отверстия малоподвижна. Уравнение имеет вид

к(х)3 + к(х)3 = _12Л

дх2

и ук + и хк _

д^ х)' дх

(11)

где х - координата вдоль слоя суспензии; у - координата, перпендикулярная к слою суспензии; г - координата вдоль оси оправки; р(х, z) - давление в кармане; к (х) - зазор в кармане, определяемый разностью текущих координат поверхностей отверстия (у0) и кармана (ук); = 0 - окружная скорость оправки.

к( х) = Уо _ У к

(12)

Уо =

2 2 2 _ х2

О х ■

где К0 - радиус отверстия; ^ - динамическая вязкость жидкости (суспензии). Скорость истечения жидкости из проводящего суспензию отверстия

и ук = °к 18 ,

(13)

где О - расход суспензии из отверстия; £ - площадь сечения отверстия.

Проведенные зависимости были проверены на практике, они соответствуют эксплуатационным данным с расхождение 20%. В частности в результате данной обработки формируется антифрикционно-упрочненный поверхностный слой толщиной 0,1...0,3 мм с глубиной проникновения элементов покрытия 0,010.0,025 мм, шероховатостью поверхности Яа = 0,63.0,8 мкм, остаточными напряжениями сжатия аост=100.. .300 МПа.

Библиографический список

1. Тудакова, Н.М. Повышение качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей многозвенных ушковых соединений, работающих в условиях фреттинг-коррозии, на основе комбинированной упрочняющей (на примере стыковых соединений планера самолета). Дисс. ... канд. техн. наук. - Н. Новгород: НГТУ, 2002. - 190 с.

2. Пат. № 2063861 В24В39/02, В23Д43/02 Способ деформирующе-режуще-выглаживающего прошивания-редуцирования поверхностей и устройство для его осуществления / А.В. Шед-рин, М.И. Грошев. 20.07.1996.

3. Дорн для формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя / В.М. Сорокин [и др.] // Патент на полезную модель 109689 В24В39/00, С23С24/06 от 27.10.11.

4. Гидропластическая обработка металлов / К.Н. Богоявленский [и др.]. - М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

5. Сивцев, Н.С. Самоорганизация контактного трения и точность обработки при дорновании // Вестник машиностроения. 2003. №1. С. 57-61.

6. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. - М.: Химия, 1987. - 496 с.

7. Пат. № 2343452С2 Способ определения вязкости суспензии / Ю.И. Шмигин, А.Н. Плановский. 10.01.2009.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.