Оценка эффективности комбинированной упрочняюще-отделочной обработки деталей пищевых машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

664.002.(075.8)

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ УПРОЧНЯЮЩЕ-ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПИЩЕВЫХ МАШИН

А.Л. МАИТАКОВ

Кемеровский технологический институт пищевой пром ышленности

Комбинированная обработка для получения поверхностей с регулярной структурой является многофакторным процессом, обеспечивающим параметры качества упрочняемого поверхностного слоя, например, износостойкость поверхности цапфы, сопрягаемой с подшипником скольжения в механизме мелющего валка станка А1-Б3Н (рис. 1: 1 - корпус системы охлаждения; 2 - втулка бронзовая; 3 - шестерня большая; 4 - шестерня малая; 5, 7 - крышки корпуса подшипника; 6 - корпус подшипника; 8 - трубка; 9 - цапфа; 10 -бандаж рифленый из чугуна ИЧХ20РТ; 11 - валок; 12 -отверстие для балансировочных грузов; 13 - вкладыш из бронзаля 2). Цапфа валка изготавливается из стали 45, а вкладыш подшипника скольжения - из бронзаля 2 (при модернизации станка А1-Б3Н роликовые подшипники качения были заменены на подшипники скольжения с вкладышами из бронзаля 2).

При исследовании эффективности различных комбинированных методов, в частности упрочняюще -отделочной обработки на основе импульсного электромеханического упрочнения [1], был выполнен дробный факторный эксперимент для оценки влияния условий предварительной, упрочняющей и окончательной обработок. В качестве технологических факторов исследовались (табл. 1):

точение резцами с твердосплавными пластинками марки Т5К10 и ВТ130 (X = +1) и шлифование электро-корундовыми кругами 14А на органической связке (предварительная обработка) (Х = -1);

Рис. 1

параметр шероховатости Яа в результате предварительной обработки: Яа = 0,8 мкм (Х2 = +1) и Яа = 2,7 мкм

(X = -1);

сила тока 1: 1000 А (Х3 = +1) и 700 А (Х3 = -1); длительность импульсов тока т: 0,5 с (Х4 = +1) и 0,2 с (Х4 = -1);

способ чистовой обработки поверхностей после упрочнения: шлифование электрокорундовыми кругами 14А на органической связке (Х5 = +1) и точение резцами из киборита (Х5 = -1);

отделочная обработка: алмазным выглаживанием кубическим нитридом бора ЛВМ на органической связке (Х6 = +1) и виброполированием брусками из синтетического алмаза АС2 (Х6 = -1).

Факторы X и Х2 отражают влияние предварительной обработки поверхностей, Х3 и Х4 - упрочняющей, а Х5 и Х6 - окончательной обработки. Уровни варьирования факторов принимались по результатам предварительных однофакторных экспериментов.

Электромеханическое упрочнение осуществлялось роликом из меди диаметром 60 мм и шириной 3 мм. Ролик прижимался к упрочняемой поверхности с усилием 110 Н. Скорость вращения заготовки составляла 0,5 м/мин. Охлаждение производилось жидкостью, содержащей 0,7% №2С03, 5% МаК03, остальное - вода. Длительность пауз между импульсами тока составляла 0,06 с.

Изнашивание упрочненных стальных образцов диаметром 60 мм проводилось на машине трения ИМАШ с вкладышами из бронзаля 2 при скорости скольжения 1,1 м/с и давлении 4 МПа (со смазкой).

В табл. 1 приведены также данные по износу элементов трущейся пары после 130 км пути трения для вкладышей и соответственно 20 км для образцов.

Состояние поверхностного слоя после рассматриваемой упрочняюще-отделочной обработки характеризовалось параметрами шероховатости Яа, Ятах, Бт (ГОСТ 2789-73); высотой Яр наибольшего выступа на базовой длине 0,8 мм; относительной опорной длиной т профиля на уровне средней линии; параметром V степенной аппроксимации начального участка опорной кривой до уровня средней линии (їр = = (10-2рЯтах/Яр)'', где р - уровень сечения профиля); радиусом р скругления вершин неровностей; комплексным параметром Крагельского-Комбалова А = = Яр/рґт 1А’ [2], а также параметрами волнистости ^тах и БтЖ, отклонениями формы цилиндрических поверхно -стей от круглости Нтах и поверхностной микротвердо-

Таблица 1

Номер опыта Фактор Износ

^1 ^2 Х3 Х4 Х5 Хб Образца Ко, мкм Вкладыша %, мг

1 10 1,9

2 + 1 +1 +1 +1 5 0,4

3 +1 +1 +1 5 0,3

4 + 1 +1 +1 12 0,9

5 +1 +1 +1 13 0,8

6 + 1 +1 +1 5 0,3

7 +1 +1 +1 +1 8 0,2

8 + 1 +1 +1 +1 12 1,5

стью НУ. В табл. 2 приведены значения характеристик параметров состояния поверхностных слоев образцов из стали 45 после упрочняюще-отделочной обработки.

Результаты дисперсионного анализа данных по параметрам состояния поверхностных слоев образцов, позволяющего оценить влияние рассматриваемых в эксперименте факторов (значения ^-отношений) приведены в табл. 3.

Связи между параметрами состояния поверхностных слоев и технологическими факторами могут быть выражены следующими уравнениями:

Яа = 0,65 - 0,06 Х2 - 0,36 Х5 - 0,16 Х6 + 0,08 ХХз, мкм;

Яр = 1,71 - 0,85 Х5 - 0,38 Х6, мкм;

Ятах = 3,71 - 1,58 Х5 - 0,95 Х6, мкм; гт = 52,4%;

Бт = 48,9 - 12,6 Х5, мкм;

V = 1,76 - 0,06 X + 0,14 Х5 - 0,06 Х6;

А = 0,048 + 0,02 Х5 - 0,02 Х6; р = 133,4 + 32,9 Х6, мкм;

^тах = 8,8 - 3,35 Х5, мкм;

Бтж = 914,8 - 197,5 Х3 - 178,6 X, мкм;

Нтах = 20,9 мкм;

НУ = 733,5 + 23,5 Х4 + 18,7 Х5.

Данные уравнения могут быть использованы в целях технологического обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя образцов из стали 45.

Как показывают результаты дисперсионного анализа, все уравнения являются адекватными. С ними связано 94,9% вариации параметра шероховатости Яа

(92,9% без учета влияния фактора Х2), 90,7% - Яр, 92,1% - Ятах, 77,7% - Бт, 86,5% - V (76,2% без учета влияния фактора Х1), 52,0% - р, 49,8% - А, 68,4% изменчивости параметра волнистости ^пах, 44,7% - Бтш и 60,7% - вариации поверхностной микротвердости НУ.

При формировании выводов о влиянии факторов X - Х6 на параметры состояния поверхностных слоев следует учитывать возможное совместное влияние отдельных факторов. Данному эксперименту, определяющими контрастами которого являются соотношения Х4 = ХХ2Х3, Х5 = -ХХ2 и Х6 = -ХХ3, соответствует следующая система совместного влияния факторов (взаимодействия факторов более высоких порядков не учитывались):

X » -Х2Х5 - Х3Х4; Х5 » -Х1Х2 - Х3Х4;

Х2 » -ХХ5 - Х4Х6; Х6 » -XX - Х2Х4;

Х3 » -ХХ6 - Х4Х5; Х2Х3 » ХХ6,

Х4 » -Х3Х5 - ХХ6.

Очевидно влияние технологической наследственности на формирование ряда параметров состояния поверхностных слоев, о чем свидетельствует наличие в приведенных выше уравнениях связи факторов X - Х5 (или соответствующих им парных взаимодействий по системе совместного влияния отдельных факторов). Очевидно также то, что взаимодействие Х2Х3 в уравне -нии связи для Яа должно быть заменено взаимодействием ХХ6, влияние которого на формирование параметра шероховатости Яа представляется более вероятным.

Таблица 2

Характеристика параметра с отояния

Значение характеристики параметра состояния поверхностного слоя

Ra мкм

tm %

Sm, МКМ

р, мкм

А

Wm:

SmW, мкм

Hm.

HV

Rmin 0,22 0,5 1,46 49,9 29,5 1,46 80,8 0,002 2,53 0,342 6,6 683,8

Rmax 1,39 3,31 7,04 55,2 65,8 2,02 210,0 0,101 12,74 1,348 18,8 780,7

R 0,65 1,7 3,85 52,4 48,9 1,76 133,4 0,054 8,81 0,915 15,0 733,5

Sr 0,462 1,016 2,068 1,899 14,41 0,19 43,19 0,038 4,609 0,382 4,439 34,2

,% £ 71,27 59,84 53,68 3,62 29,48 10,82 32,38 85,44 52,32 41,74 29,67 4,660,

rRm 0,707* 0,736* 0,741* 0,057 0,923* -0,81 0,073 0,489 0,631 0,348 0,536 0,477

rRuB 0,914* 0,943* 0,930* 0,192 0,737* -0,33 -0,16 0,767* 0,606 0,325 0,164 0,526

Примечания: 1. Rmin, Rmax и R - соответственно наименьшее, наибольшее и среднее значение параметра состояния поверхностных слоев; Sr и vr - соответственно среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации; trm и TRm - соответственно коэффициенты парной корреляции между параметрами состояния поверхностных слоев с величинами износа образцов и и вкладышей иЕ.

2. Индекс * показывает, что значение коэффициента корреляции значимо на уровне значимости a = 0,05.

Rp, мкм

R

v

Таблица 3

Источник вар иации Число степеней Параметры шероховатости Параметры волнистости Отклоне- Микро- твердость НУ

парамет- ра свободы Яа яр Ятах 1т Бт V Р А ^пах Бт№ мы Нтах

Факторы:

Х1 1 5,02 <1 2,61 <1 <1 6,75 <1 1,14 1,11 3,55 <1 <1

Х2 1 5,89 <1 4,28 <1 <1 <1 4,32 <1 2,23 <1 <1 <1

Х3 1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 1,98 7,58 <1 <1

Х4 1 <1 1,50 <1 <1 <1 <1 1,38 4,30 3,60 4,36 <1 9,50

Х5 1 210,2 90,3 155,3 <1 59,4 33,8 <1 6,88 22,2 6,20 <1 5,99

Х6 1 41.0 19,3 56,4 <1 4,37 16,7 19,4 6,90 2,66 <1 <1 <1

Взаимо-

действие 1 10,3 <1 3,31 <1 3,18 <1 4,03 <1 3,00 <1 <1 1,31

Х2Х3 Неучте н-

ные фак- 8 - - - - - - - - - -

торы

Сумма 15 - - - - - - - - - - - -

Примечание. Подчеркнуты Р-отношения, превышающие критическую величину на уровне значимости 0,01 или 0,05 (Р1; 8 0,01 = 11,3; Р1; 80,05 = 5,32).

Как показывают результаты дисперсионного анализа, приведенные в табл. 4, на величину износа образцов ио по сравнению с другими факторами оказывает влияние в основном фактор Х5, а на величину износа вкладышей ив - факторы Х5, Х6 и взаимодействие ХХ3ХХ):

ио = 9,8 - 3,6 Х5; ив = 1,5 - 0,9 Х5 - 0,5 Х6 + 0,5 ХХ

Первое уравнение объясняет 87,6% вариации величины ио, второе - 96,7% изменчивости величины ив, т. е. в принятых условиях упрочняюще-отделочной обработки износ образцов и вкладышей обусловливается в основном отделочной обработкой (факторами Х5 и Х6, под влиянием которых, главным образом, формируются параметры состояния поверхностных слоев, упрочненных электромеханической обработкой).

В целях минимизации величин износа ио и ив чистовую обработку упрочненных поверхностей следует вести шлифованием (Х5 = +1), а отделочную - алмазным выглаживанием (Х6 = +1). Этот результат вытека-

ет из корреляционного анализа связей между параметрами состояния поверхностных слоев и величинами ио и ив. Как следует из табл. 2, величина ио определяется, главным образом, параметром шероховатости Бт, а ве-личина ив - параметром шероховатости Яр упрочненных образцов (что указывает, в частности, на целесообразность их контроля в процессе упрочняюще-отде-лочной обработки):

ио = -2,94 + 0,26 Бт; ив = -0,46 + 1,16 Яр.

С параметром шероховатости Бт связано 85,2% вариации величины ио, а с параметром шероховатости Яр - 88,9% вариации величины ив. Уровням варьирования факторов Х5 = +1 и Х6 = +1 соответствуют следующие значения параметров Бт и Яр:

Бт = 48,9 - 12,6 (+1) = 36,3 мкм;

Яр = 1,71 - 0,85 (+1) - 0,38 (+1) = 0,48 мкм.

Выявленные в процессе исследования рассматри -ваемой комбинированной упрочняюще-отделочной

Таблица 4

Источник вариации величины износа Число степеней свободы Сумма квадратов отклонений величин износа от общего среднего значения Дисперсия Р-отношение

Факторы: Х1 0,78/0,02

Х2 - 1,53/0,08 - -

Х3 1/- 5,28/0,17 5,28/- 5,45/-

Х4 - 1,53/0,09 - -

Х5 1 101,53/7,11 101,53/7,11 104,8*/79,0*

Х6 1 5,28/1,73 5,28/1,73 5,45/19,2*1

Взаимодействие Х2Х3 -/1 0,03/1,79 -/1,79 -/19,8*1

Сумма 7 115,97/10,92 - -

Неучтенные факторы 4 3,87/0,36 0,97/0,09 -

Примечания: 1. Числитель - значения для образцов, знаменатель - для вкладышей.

2. Индекс * указывает на влияние на уровне значимости а = 0,01; индекс * - то же на уровне значимости а = 0,05 (Р^ 4 0,05 = 7,71; Р1; 4 0,01 = 21,2).

обработки закономерности могут быть использованы в целях технологического обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя деталей, а также минимизации их начального износа.

Исследованный комбинированный метод упроч-няюще-отделочной обработки может быть эффективно использован для технологического воздействия на поверхностный слой вращающихся деталей пищевых машин. Путем рационального выбора уровней факторов, определяющих условия комбинированной обработки, представляется возможным осуществлять технологическое управление параметрами шероховатости, волнистости и поверхностной микротвердостью и снизить (табл. 1) износ образцов из стали 45 (при граничной смазке) в 2 раза, а вкладышей из бронзаля 2 более чем в 6 раз.

Методология выполненных исследований может быть использована при формировании информацион-

ных моделей технологических блоков для технологического обеспечения качества функциональных модулей поверхностей деталей машин [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой. - М.: Машиностроение, 1989. -200 с.

2. Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О.А., Горленко А.О. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / Под общ. ред. А.Г. Суслова. -М.: Машиностроение, 2006. - 448 с.

3. Коган Б.И., Майтаков А.Л. Основы формирования информационных моделей технологических блоков для обеспечения качества машин и аппаратов пищевых производств // Новые мате -риалы и технологии в машиностроении: Сб. науч. тр. по итогам Ме -ждунар. науч.-техн. конф. Вып. 7. - Брянск: БГИТА, 2007. - С. 58-62.

Кафедра технологии металлов, пищевого и холодильного машинострое ния

Поступила 17.03.08 г.

621.31.004.18

РАЗРАБОТКА БЛИЗКОЙ К ОПТИМАЛЬНОЙ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ДИАГРАММЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МИКРОПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УПРУГИМВАЛОПРОВОДОМ

Ю.П. ДОБРОБАБА, В.И. КОНОПЛИН

Кубанский государственный технологический университет

В настоящее время определены оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения микропози-ционных электроприводов с упругими валопроводами с учетом индуктивностей якорных цепей электродвигателей. Решение этой задачи позволило достигнуть необходимой точности позиционирования исполнительных органов механизмов, повысить производительность механизмов пищевой промышленности, работающих в циклическом режиме. Однако определение длительностей этапов перемещения исполнительных органов механизмов в соответствии с оптимальными по быстродействию диаграммами связано с необходимостью решения системы из пяти нелинейных уравнений, вследствие чего реализация предложенных диаграмм не всегда оправдана, так как требует обеспечения высокой точности настройки дорогостоящего оборудования высококвалифицированным персоналом. Расчет параметров задатчика интенсивности, формирующего оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма микропозиционного электропривода с упругим валопроводом, также предполагает высокий уровень требований к производительности вычислительного оборудования, поскольку это связано с аппроксимированием нелинейных зависимостей коэффициентов обратных связей от заданных изменений угла поворота исполнительного органа механизма. Поэтому определение близкой к оптимальной по быстродействию диаграммы перемещения микропозиционного электро-

привода с упругим валопроводом, позволяющей при незначительном снижении быстродействия обеспечить малую стоимость оборудования, простоту его настройки и снижение требований к квалификации обслуживающего персонала, весьма актуально.

Электропривод с двигателем постоянного тока и упругим валопроводом с учетом влияния нагрузки описывается уравнениями

U — Се И ! + Яш 1 ш + ^ш с м IШ —M — + J!

dt

M— —С— (ф ! - ф 2);

dw 2

M— — М_ ! J 2 2

dt

dt

djj dt dj2 dt

M =const,

— ю,;

— кь;

где и - напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигате -ля, В; 1я - ток якорной цепи электродвигателя, А; 01 и ф1 - угловая скорость, рад/с, и угол поворота электродвигателя, рад; Му иМс - моменты упругий и сопротивления, Н • м; 02 и Ф2 - угловая скорость, рад/с, и угол поворота исполнительного органа механизма, рад; Се -коэффициент пропорциональности между напряжением и угловой скоростью электродвигателя, В • с/рад; Яя и Ья - сопротивление, Ом, и индуктивность, Гн, якорной цепи электродвигателя; См - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвига -