CC BY
68
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.923
В. З. Зверовщиков, С. А. Нестеров, А. Е. Зверовщиков, П. А. Гурин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В КОНТЕЙНЕРАХ С ПЛАНЕТАРНЫМ ВРАЩЕНИЕМ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ
Аннотация. Рассмотрено контактное взаимодействие стальных шаров с обрабатываемыми поверхностями деталей при объемной отделочно-упрочняющей обработке в контейнерах с планетарным вращением. Разработана пространственная модель шероховатой поверхности, позволяющая оценить параметры шероховатости и глубину упрочнения поверхностного слоя. Предложен алгоритм определения технологических режимов и условий центробежной обработки, обеспечивающих достижение требуемых параметров шероховатости поверхности и глубины упрочнения металла для различных материалов обрабатываемых деталей.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, моделирование, упрочнение, контактное взаимодействие, рабочая загрузка.
Abstract. The article analyses contact interaction of steel balls with processed surfaces of workpieces during dimensional reinforcement finishing process in containers with planetary rotation. 3D model of surface roughness has been defined, which allows us to evaluate roughness parameters and reinforcement depth of the surface layer. The researchers have worked out a pattern for determining process cycles and conditions of centrifugal machining, which ensure required parameters of surface roughness and reinforcement depth for different workpiece materials.
Key words: surface roughness, simulation, hardening, contact interaction, working load.
Введение
На современных машиностроительных предприятиях производится большое количество мелкоразмерных деталей, обрабатываемых на станках с числовым программным управлением. После механической обработки таких деталей в большинстве случаев требуется дополнительная отделочно-упрочняющая или слесарная доработка. Объемная отделочно-упрочняющая обработка деталей гранулированными рабочими средами в контейнерах с планетарным вращением позволяет механизировать отделочно-зачистные и упрочняющие операции, необходимые для повышения качественных характеристик поверхностного слоя.
В Пензенском государственном университете разработана технология центробежной обработки для упрочнения и полирования поверхностей мелких и средних деталей пластическим деформированием стальными шарами.
Однако широкое внедрение на промышленных предприятиях этой перспективной технологии сдерживает сложность технологической подготовки производства при частой смене номенклатуры обрабатываемых деталей. Необходимо учитывать большое число факторов, влияющих на показатели качества поверхности, что невозможно без проведения экспериментальных исследований для отработки технологии определения режимов, гарантирующих стабильность обработки.
Поэтому для сокращения сроков подготовки производства на отделочно-упрочняющих операциях и управления показателями качества поверхности предлагается создать сервисную систему автоматизации проектирования этих технологических операций.
Принципиальная схема центробежной отделочно-упрочняющей обработки [1] поверхностей деталей в контейнерах с планетарным вращением приведена на рис. 1. Обрабатываемые детали 1 и рабочую среду (металлические шары) 2 помещают в контейнер 3, заливают технологическую жидкость и сообщают контейнеру планетарное вращение со скоростями Юі вокруг оси водила и Ю2 вокруг собственной оси, а водилу планетарного механизма сообщают переносное движение со скоростью Ю3 вокруг оси 4, перпендикулярной оси водила.
1. Особенности обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением
1
2 3
Рис. 1. Принципиальная схема способа обработки
В зависимости от соотношения угловых скоростей вращения водила ю1 и контейнеров ю2 различают два основных вида движения рабочей загрузки в объеме контейнера: каскадный и водопадный [2].
При каскадном режиме движения на поверхности уплотненной загрузки образуется скользящий слой 5 глубиной А (см. рис. 1), состоящий из рабочих тел и обрабатываемых деталей, в котором происходит их интенсивное контактное взаимодействие, сопровождающееся нивелированием выступов неровностей обрабатываемых поверхностей. При этом в контейнере формируется зона 6 твердотельного вращения, которая перемещается синхронно со стенкой, а между ней и скользящим слоем располагается область 7 малых
и ^ 4 0 и тт
скоростей относительных перемещений, называемая застойной зоной. Детали, находящиеся в зонах 6 и 7, подвергаются значительно менее интенсивному воздействию, чем в скользящем слое, что приводит к неравномерному упрочнению различных деталей и формированию неоднородных качественных характеристик обработанных поверхностей в партии деталей, одновременно загруженных в контейнер.
Установлено, что при увеличении скорости ю2 вращения контейнера вокруг собственной оси при неизменной угловой скорости ю1 водила происходит переход к водопадному режиму движения рабочей загрузки, при котором уплотненная масса разделяется на четыре зоны (рис. 2): твердотельную 1, зону летящих шаров 2, переходную зону 3 и застойную зону 4, которая располагается между твердотельной зоной и зоной летящих шаров.
Рис. 2. Схема разделения рабочей загрузки на зоны при водопадном режиме движения
Водопадный режим движения характеризуется интенсивным динамическим воздействием стальных шаров на обрабатываемые поверхности, а пере-
носное вращение водила, несущего контейнер с рабочей загрузкой, с угловой скоростью ю3 периодически разрушает застойную зону 4, что повышает стабильность обработки всей партии деталей, загруженных в контейнер. Поэтому для отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей следует рекомендовать водопадный режим движения рабочей загрузки с переносным вращением водила, создающим осевой импульс, необходимый для разрушения застойной зоны и создания равных условий обработки для всех деталей в контейнере. При отсутствии переносного вращения водила детали, попавшие в застойную зону, остаются в ней до окончания обработки.
2. Кинематические и динамические характеристики рабочей загрузки в контейнере с планетарным вращением
Для назначения технологических режимов обработки в контейнерах с планетарным вращением важно получить математическое описание движения массы рабочей загрузки, оценить динамическое взаимодействие рабочих тел и поверхностей деталей, определить условия уплотнения загрузки на стенке контейнера. Эти факторы влияют на формирование физико-механических характеристик поверхностного слоя и топографические показатели поверхности.
Аналитические зависимости движения рабочей загрузки в твердотельной и переходной зонах, приведенные в работе [3], не учитывают наличия жидкости в контейнере и переносное вращение водила с угловой скоростью ю3. Для определения кинематических и динамических характеристик рабочей загрузки в зоне полета (рис. 3) с учетом сопротивления технологической жидкости представим координаты хш и уш шаров и хТ и уТ обрабатываемых тел (деталей) в произвольный момент времени t в виде:
х — х V Лш лши 1
+ 4
Г С Р/У х',
V 2 тш
\
Л
+ g 8Ш(Ю3?)
Г Ср/^
V 2 тш у
(^шо);
(1)
’'ш /ши
t -t,
+ 4
шо у
С р /
V 2 тш у
V
Vt tшо
+ g sin(юзt)
Г Ср/>
V 2 тш у
(2)
хТ — хТи +
t-tТо
t-tТо
+ 4
гСр/¥ х 'т
2тт IVt-tТо
+ g sin(юзt)
X
Г Ср/^
2 тт
(3)
УТ - уТи +
\2 (
+ 4
с р /
2 тт
V
+ g 8Іп(Юз?)
с р /
2 тТ
(Ґ - ҐТо),
(4)
где хши, уши - координаты исходного положения шаров;
хТи , УТи - координаты исходного положения центра масс обрабатываемого тела;
ґшо, ґто - время отрыва шаров и тела соответственно от стенки контейнера при переходе их в фазу полета;
тш, тТ - масса шаров и тела соответственно;
х ши, У 'ши - проекции начальных скоростей Уши шаров в момент отрыва от стенки контейнера на оси абсцисс и ординат;
х 'ти , у 'ти - проекции начальной скорости УТи обрабатываемого тела в момент отрыва от стенки контейнера на оси абсцисс и ординат;
х 'ш , У 'ш - проекции скоростей Уш шаров на оси абсцисс и ординат; х 'т , У 'т - проекции скорости УТ обрабатываемого тела на оси абсцисс и ординат;
ю3 - угловая скорость переносного вращения водила; g - ускорение свободного падения;
С - коэффициент сопротивления технологической жидкости; р - плотность жидкости;
/ - площадь поверхности шара или тела в сечении, перпендикулярном движению (миделево сечение).
Рис. 3. Схема сил, действующих на частицу и обрабатываемое тело в зоне летящих шаров
3. Моделирование движения рабочей загрузки
С учетом изложенного выше и на основе аналитических зависимостей, приведенных в работе [3], была разработана программа CPOUO [4] в среде программирования Delphi-l.
В качестве исходных данных для программы были приняты:
1) конструктивные параметры технологической системы (радиусы водила, контейнера, шаров, высота рифлений в контейнере);
2) технологические параметры (частоты вращения водила ю1 и контейнеров ш2);
3) плотность р и вязкость ^ рабочей жидкости;
4) коэффициент взаимного трения шаров ^;
5) степень заполнения контейнера Kз;
6) плотность материала обрабатываемых деталей рд и стальных шаров рш;
1) координаты исходного положения и размеры обрабатываемой детали ат и Ьт (см. рис. 2).
Разработанная программа позволяет определить:
1) кинематические параметры (координаты, величины и направления векторов скоростей) рабочих тел в рабочей загрузке для произвольного момента времени ^
2) параметры взаимодействия рабочих тел и обрабатываемой детали (координаты точек контакта, векторы скоростей шаров, количество контактов в единицу времени и др.);
3) движение рабочей загрузки внутри контейнера под действием инерционных сил (в виде анимации на экране компьютера).
Для оценки параметров контактного взаимодействия детали и рабочих тел (шаров) путем моделирования в разработанной программе предусмотрена возможность сохранения в виде отдельного файла следующих величин: скоростей шаров в момент контакта с обрабатываемой поверхностью; координат точек контакта; углов наклона векторов скоростей при контакте шаров с деталью.
Зная координаты хш и _уш шаров (формулы (1) и (2)) в произвольный момент времени I, можно рассчитать скорости V в момент контакта с поверхностью детали. С помощью модели, реализуемой компьютерной программой CPOUO, построена графическая зависимость влияния плотности технологической жидкости р на скорости V шаров в момент контакта с поверхностью детали (рис. 4).
Сравнение графической зависимости (рис. 4), полученной по компьютерной модели, с результатами экспериментальных исследований, приведенными в работе [3], свидетельствует об уменьшении скоростей взаимодействия шаров с поверхностью детали при учете влияния технологической жидкости в контейнере, следовательно, необходимо учитывать сопротивление жидкости при центробежном упрочнении поверхностей деталей.
Для назначения научно обоснованных технологических режимов отде-лочно-упрочняющей обработки в контейнерах с планетарным вращением большое значение имеет определение по разработанной модели таких параметров, как глубина упрочненного слоя, степень упрочнения, величина деформаций, шероховатость обработанной поверхности для различных физикомеханических свойств материалов, размеров деталей и рабочих тел.
500 800 110 1400 1100 Ркг/м3
Рис. 4. Влияние плотности р технологической жидкости на скорости V взаимодействия шаров с поверхностью детали (радиус водила Я1 = 150 мм, радиус контейнера Я2 = 100 мм, соотношение скоростей вращения контейнера и водила Кт2т1 = 1,13, коэффициент заполнения контейнера Кз = 0,5, размеры обрабатываемого тела: ат = 30 мм, Ьт = 20 мм)
Для наглядного представления результатов смоделируем контактное взаимодействие рабочих тел с обрабатываемой поверхностью путем построения объемной модели шероховатой поверхности детали. Для автоматизации моделирования сложной шероховатой поверхности нами была разработана программа DSF [5]. Программа DSF позволяет регистрировать и преобразовывать сигнал измерительного прибора при движении алмазной иглы датчика профилометра по поверхности детали. Отдельные модули программы позволяют по полученным числовым значениям профиля поверхности производить расчет различных параметров шероховатости, создавать набор команд (макрос) для моделирования объемных поверхностей при помощи программы PowerShape фирмы Delcam и выполнять анализ результатов контактного взаимодействия стальных шаров с обрабатываемыми поверхностями при помощи программы ANSYS LS-DYNA.
Построение пространственной модели шероховатой поверхности и расчет напряженно-деформированного состояния металла при ударном взаимодействии шаров с созданным объемным рельефом выполнялись с помощью САЕ-программы. Для анализа процесса упрочнения в динамике использовалась программа LS-DYNA путем загрузки файла с APDL-кодом. При этом в качестве исходных данных были приняты: скорости полета шаров, углы удара шаров о деталь, размеры и количество шаров, размеры детали, материалы шаров и заготовки. Эти параметры считываются из файла, ранее созданного программой СРОиО, а программный APDL-код генерируется программой DSF в автоматическом режиме.
Компьютерное моделирование позволило также оценить глубину h упрочненного слоя и шероховатость поверхности по параметру Яа. После обработки результатов вычислительных экспериментов по методике регрессионного анализа были получены полиномиальные зависимости влияния различных факторов на глубину h (мм) упрочнения и шероховатость поверхности Яа (мкм) в виде
к = 0,25 - 0,27 V + 0,07Яш - 0,0006 аТ - 0,03Яаи + 0,04УЯш - 0,0001 VаТ +
+0,03УЯаИ — 0,0002^ш^Т + 0,01ЯшЯаи + 0,000001(7т2 — 0,022Яаи2; (5)
Яа = -0,024 - 0,147 V + 0,024Яш + 0,0006 аТ + 0,637Яаи - 0,046VЯаи -
-0,033ЯшЯаи + 0,0003аТЯаи + 0,0195V2 -0,000001аТ2 + 0,0316Яаи2, (6)
где V - скорость шаров в момент контакта с поверхностью детали, м/с; Яш -радиус шаров, мм; от - предел текучести материала, МПа; Яаи - исходная шероховатость поверхности, мкм.
Построенная по модели зависимость влияния прочностных характеристик материала детали на глубину к упрочнения (рис. 5, зависимость 1) показывает, что с увеличением предела текучести от материала происходит уменьшение глубины к упрочненного слоя, а экспериментальная зависимость 2 свидетельствует об удовлетворительной сходимости расчетных по модели и экспериментальных результатов.
к, мм
оТ, МПа
Рис. 5. Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на глубину к упрочнения (V = 5 м/с; Яаи = 2,4 мкм);
1 - теоретическая зависимость (радиус шаров Яш = 4 мм);
2 - экспериментальная зависимость (радиус шаров Яш = 4 мм)
Проведенные исследования позволили разработать специальный программный модуль для определения технологических режимов и условий центробежной обработки, необходимых для достижения требуемых параметров шероховатости поверхности и глубины упрочнения. Схема алгоритма назначения режимов центробежной упрочняющей обработки приведена на рис. 6.
Рассмотрим пример определения режимов обработки на образцах из стали 45, на которых требуется по техническим условиям обеспечить шероховатость поверхности Яа = 1,6 мкм и глубину упрочненного слоя к = 0,2 мм. На основе вычислительного эксперимента определяем следующие режимы и условия обработки: частота вращения контейнера пк = 210 мин-1, частота вращения водила пв = 160 мин-1, степень заполнения контейнера Кз = 55 % при использовании в качестве технологической жидкости воды с антикоррозионными присадками. Обработка с заданными технологическими режимами позволила сократить время операции с 15 до 8 мин.
Внедрение технологических процессов центробежной обработки в производственных условиях показало, что на деталях сложной формы из стали 45 с исходной шероховатостью поверхности Яаи = 3,2 мкм глубина к упрочненного слоя после обработки составляет 0,25 мм с дисперсией 0,02 мм при шероховатости поверхности Яа = 1,6 мкм.
Начало
I ~
Ввод исходных данных:
/габариты заготовки, физико-механические свойства материалов шаров и обрабатываемого тела, радиус водила Ді, радиус контейнера К., радиус переносного вращения водила Яз./ радиусы рабочих тел (шаров) Яш, плотность технологической ЖИДКОСТИ р. исходная шероховатость поверхности детали Яа
Ввод технологических ограничений: необходимая глубина Ь упрочненного слоя детали, необходимая шероховатость Я а поверхности детали
Нет
Автоматическое назначение режимов обработки программой: время обработки г. частота вращения водила сої, частота вращения контейнеров «к, частота переносного вращения водила саз, степень загрузки контейнеров К,
\ _ Выполняются условия техн ологических ограничении? Да Нет
Формирование базы данных с технологическими режимами. Сравнение текущей комбинации технологических режимов с другими комбинациями из базы данных
Нет
Нет
Рис. 6. Схема алгоритма назначения режимов центробежной упрочняющей обработки (см. также с. 102)
обеспечивает выполнение необходимых - _ технологических ограничений за меньшее ■ время обработки? . - '
_______________________ Да__________________
/Вывод рекомендуемых режимов обработки время обработки г.
частота вращения водила сої,
частота вращения контейнеров о»,
частота переносного вращения водила о»,
степень загрузки контейнеров К,
Рис. 6. Окончание
Список литературы
1. А.с. 1627382 СССР, МКИ5 В24В 31/104. Способ обработки деталей и устройство для его осуществления / А. Н. Мартынов, В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, А. Т. Манько (СССР) ; опубл. -1991, Б.И. № 6.
2. Бушуев, Л. П. Геометрия зоны отрыва и эффект самофутеровки в планетарных центробежных мельницах / Л. П. Бушуев // Известия АН СССР: Отд. техн. наук. Механика и машиностроение. - 1961. - № 1. - С. 19.
3. Зверовщиков, В. З. Моделирование движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением / В. З. Зверовщиков, С. А. Нестеров // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Волжский : ВолжскИСИ филиал ВолгГАСА, 2002. - С. 215218.
4. Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17363. Программа моделирования движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением при варьировании динамических параметров «CPOUO.exe» / С. А Нестеров, П. А. Турин ; зарег. 05.08.2011.
5. Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17363. Программа регистрации и преобразования параметров при сканировании поверхности «DSF.exe» / П. А. Турин, С. А. Нестеров ; зарег. 05.08.2011.
Зверовщиков Владимир Зиновьевич
доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет
E-mail: tms@pnzgu.ru
Нестеров Сергей Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет
E-mail: nesterovs@list.ru
Зверовщиков Александр Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет
E-mail: azwer@mail.ru
Гурин Павел Александрович аспирант, Пензенский государственный университет
E-mail: sbgurin_pavel@list.ru
Zverovschikov Vladimir Zinovyevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of machine building technology, Penza State University
Nesterov Sergey Alexandrovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of machine building technology, Penza State University
Zverovschikov Alexander Evgenyevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of machine building technology, Penza State University
Gurin Pavel Alexandrovich Postgraduate student,
Penza State University
УДК 621.923 Зверовщиков, В. З.
Моделирование центробежной отделочно-упрочняющей обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением для оптимизации технологических режимов / В. З. Зверовщиков, С. А. Нестеров, А. Е. Зверовщиков, П. А. Гурин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 4 (24). - С. 93-103.
