CC BY
13
STUDY OF THE BEHAVIOR OF PARTICLES IN THE GRINDING CHAMBER OF THE
TORO-FORM OF A JET MILL
V.G. Dmitrienko, E.G. Shemetov, O. M. Shemetova
The article discusses the fundamentals of particle behavior in a toroidal grinding chamber of a jet mill, which allow one to determine the profile of tangential _ flow velocities and the boundary size of a particle with the radius of its equilibrium trajectory, at a given height of the grinding chamber. An analytically obtained relationship for determining the tangential speed of the air flow in the grinding zone, taking into account the amount of air supplied at the exit from the nozzle of the energy carrier.
Key words: jet mill, toroidal grinding chamber, particle, two-phase flow, drag coefficient.
Dmitrienko Viktor Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, v_dmitrienko@,mail.r, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Shemetov Evgeny Gennadievich, postgraduate, zshemetov@yandex.ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Shemetova Olga Mikhailovna, postgraduate, olga95kizilova@,gmail. com, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 621.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-238-244
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ШАРИКО-СТЕРЖНЕВЫМ УПРОЧНИТЕЛЕМ
С.А. Морозов
Статья посвящена исследованиям и разработке технологических процессов обработки деталей шарико-стержневым упрочнителем с целью повышения их эксплуатационных свойств. Приведены результаты исследований влияния технологических и конструктивных параметров на производительность и качество отделочно-упрочняющей обработки шарико-стержневым упрочнителем. В результате теоретических исследований получены зависимости для расчета параметров упрочнения (глубины упрочненного слоя и степени деформации), шероховатости обработанной поверхности и остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали. На основании результатов исследований разработаны технологические рекомендации и методика инженерных расчетов рациональных параметров обработки.
Ключевые слова: обработка шарико-стержневым упрочнителем, шероховатость поверхности, глубина упрочненного слоя, степень деформации, остаточные напряжения, повышение эксплуатационных свойств.
Возможность повышения эксплуатационных свойств ответственных деталей машин при помощи отделочно-упрочняющей обработки вызывает необходимость разработки новых технологических процессов и новых методов обработки. Одной из новых разновидностей финишных методов обработки является обработка шарико-стержневым упрочнителем (ШСУ). Важное значение имеет тот факт, что при помощи ШСУ можно осуществлять местное упрочнение зон концентраторов напряжений, и, таким образом, значительно снизить себестоимость финишной обработки деталей машин, имеющих сложную форму поверхностей.
Как известно, упрочнение поверхностного слоя деталей или его участков, содержащих концентраторы напряжений, позволяет значительно повысить такие эксплуатационные свойства, как усталостная прочность и долговечность, износостойкость, контактная жесткость и т.п.
Для проведения нового высокоэффективного метода местного упрочнения ответственных деталей машин на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ изобретено устройство, названное шарико-стержневым упрочнителем и проведены исследования по разработке технологических процессов при решении различных технологических задач. Однако следует отметить, что в опубликованных научных трудах не содержится сведений о формировании остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей при шарико-стержневом упрочнении.
При разработке конструкции ШСУ осуществлена возможность сочетания преимуществ отделочно-упрочняющей обработки в среде стальных шаров и чеканки.
Устройство осуществляет обработку стальными закаленными стержнями, имеющими сферическую заточку, на которые передается энергия удара бойка силового привода через несколько слоев стальных шариков от подшипников. Частота и энергия ударов зависит от силового привода, в качестве которого используются пневмомолотки различных типоразмеров. Передача энергии удара через стальные шарики позволяет пакету стержней копировать профиль фасонной поверхности обрабатываемой детали, если она не имеет значительных перепадов высоты фасонных элементов. Пакет стержней закреплен в цанговом зажиме, который позволяет им передвигаться только при нажиме на поверхность обрабатываемой детали. Для возвращения бойка в исходное положение используется упругий элемент в виде спиральной пружины (рис. 1).
Рис. 1. Схема многоконтактного виброударного инструмента ШСУ: 1 — силовой привод; 2 — пакет круглых стержней; 3 — корпус упрочнителя;
4 — стальные шары; 5 — обрабатываемая деталь; 6 — цанговый зажим;
7—упругий элемент
Для разработки методики проектирования технологических процессов шарико-стержневого упрочнения проведён ряд исследований, опубликованы научные статьи и несколько диссертаций на соискание учёной степени кандидата технических наук. Наибольший интерес представляют работы Прокопец Г.А., Аксенова В.Н., Щерба Л.М., Исаева А.Г., Шведовой А.С. [1-11]. Авторами рассмотрены технологические возможности использования ШСУ для отделочно-упрочняющей обработки как всех поверхностей детали, так и местного упрочнения зон, содержащих концентраторы напряжений. Установлено, что на результаты обработки (шероховатость поверхности, глубина упрочненного слоя и степень деформации) оказывают влияние следующие технологи-
5 2 6 4 3
1
воздух
22231623532390001602012322
ческие факторы: энергия удара бойка, натяг при обработке (величина прижатия пакета стержней к поверхности обрабатываемой детали), количество стержней и радиус их сферической заточки, а также подача ШСУ вдоль обрабатываемой поверхности [1,2,3].
В работах Щерба Л.М. и Исаева А.Г. [1, 2, 5] предложены зависимости для инженерных расчетов шероховатости обработанной поверхности, глубины упрочненного слоя и степени деформации, имеющие следующий вид:
Шероховатость поверхности определяется по зависимости:
Вг = 0,03
Е„
1
->1,12
(1)
Б ■ N ■ НВ1
где Еу - энергия удара индентора; N - число стержней в пакете; НВ - твердость обрабатываемого материала по Бринеллю; п - коэффициент полезного действия устройства, зависящий ряда факторов (натяг при обработке, количество слоев шариков и т.п.), В -диаметр сферической заточки стержня упрочнителя (индентора). Степень деформации определяется по зависимости:
е = 1,134
ЕУ 1
-.1,12
(2)
^■НВ1
Глубина упрочненного слоя определяется по зависимости:
н =
Еу ■ 1
V
Б^-НВ
1,12
Б
(3)
В работе Щерба Л.М. [1] проведены экспериментальные исследования остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей. Установлено, что при обработке ШСУ формируются сжимающие остаточные напряжения поверхностного слоя на глубине 0,4-0,5 мм. Однако исследователями обработки ШСУ не проведен теоретический анализ формирования остаточных напряжений первого рода и не получены зависимости для их расчета при технологическом проектировании.
При анализе работ в области обработки деталей поверхностным пластическим деформированием установлено, что профессором Копыловым Ю.Р. [4] предложена методика расчета остаточных напряжений при вибрационной упрочняющей обработке. Применяя эту методику к методу обработки ШСУ можно получить зависимость для прогнозирования величины и знака остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей. Предлагаемая зависимость имеет следующий вид:
(
а 0 = к и к,
1
> 5
Е
Бй
V V
2(В + й )
1 - V,
Ед
1 - V
2 Л
Е
(4)
У У
где ки - коэффициент, учитывающий особенности формирования внутренних напряжений при обработке ШСУ (определяется экспериментально); ка - коэффициент, учитывающий способность материала к упрочнению; Еу - энергия удара индентора; Б и й - диаметры соответственно заточки стержня и отпечатка на детали; vд и vш - коэффициенты Пуассона для детали и стержня; Ед и Еш - модули упругости первого рода
для детали и стержня.
Проведён значительный комплекс экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований и их сравнение с данными теоретических расчетов представлены на рис. 2-4. На рис. 2-4 и далее сплошными линиями показаны кри-
вые, построенные по теоретическим формулам. Окружностями и квадратами - показаны результаты экспериментальных исследований. Построены доверительные интервалы с доверительной вероятностью 95%.
9 -■
7 -■
12
н-
16 D, мм
Рис. 2 Зависимость шероховатости поверхности от диаметра заточки сферы (Число стержней М=19, натяг —1,5 мм): 1 — алюминиевый сплав В95 ( );
2 — сталь 45 ( )
4 6 8 10 12 16 0,мм
Рис. 3. Зависимость степени деформации от диаметра заточки стержня для алюминиевого сплава В95: число стержней М=40, натяг —1.5 мм
Не,мм
+
+
+
100 150 200 250 300
Твердость по Бринеллю, НВ
Рис. 4. Зависимость глубины упрочненного слоя от твердости по Бринеллю: число стержней М=40, натяг —1.5 мм, диаметр заточки стержня
8 мм 241
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Теоретические зависимости адекватно описывают явления, происходящие при обработке шарико-стержневым упрочнителем. Разница между теоретическими и экспериментальными результатами не превышает 20%, что позволяет считать полученные формулы адекватными. Выполнялась проверка адекватности по критерию Фишера.
2. После обработки ШСУ в поверхностном слое обработанных деталей происходит значительное снижение шероховатости поверхности, благоприятное изменение микротвердости и степени деформации материала, что позволяет прогнозировать повышение их эксплуатационных свойств.
Для проверки адекватности зависимости (4) проведены экспериментальные исследования формирования остаточных напряжений при ШСУ. Измерение остаточных напряжений осуществлялось по стандартной методике, используемой заводской лабораторией ПАО «Роствертол» с применением автоматизированного стенда контроля остаточных напряжений АСКОН-3-КИ на образцах и алюминиевого сплава В95. Обработка прямоугольных образцов 200x100x20 мм осуществлялась на различных режимах с натягом 1,5 мм и 4,5 мм. Использовались пакеты стержней с радиусом сферической заточки 4 и 8 мм. Определение остаточных напряжений осуществлялось по методу Да-виденкова путем стравливания поверхностных слоев с образцов-пластин, вырезанных из обрабатываемых прямоугольных образцов. Измеренные значения сравнивались с теоретическими, рассчитанными по формуле (4).
Значение коэффициента ки определено по результатам предварительных экспериментальных исследований путем сравнения величины остаточных напряжений, рассчитанных по зависимости (4) и полученных экспериментально. Он изменяется в диапазоне 1.5-1.7. Для расчетов принято значение 1.6.
На рис. 5 (а и б) представлены графики зависимостей остаточных напряжений от технологических параметров обработки ШСУ.
о
Натяг при обработке, мм
а
б
Рис. 5. Влияние технологических параметров на величину остаточных напряжений при обработке для алюминиевого сплава В95: а) влияние диаметра заточки (натяг —1.5 мм, число стержней: 1 - М=19 ( ); 2 — М=40 ( )); б — влияние натяга при обработке (диаметр заточки стержня Б=16, число стержней: 1 - М=19 ( ), 2 - М=40 ( ))
ды:
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выво-
1. Обработка ШСУ позволяет создать в поверхностном слое обработанной детали сжимающие остаточные напряжения, что благоприятно сказывается на увеличении их жизненного цикла.
2. Максимальная величина сжимающих остаточных напряжений колеблется в интервале 150-200 МПа для алюминиевых сплавов, и в интервале 320-400 для сталей. Следует отметить, что их абсолютное значение превышает соответствующие значения, полученные при вибрационной отделочно-упрочняющей обработке.
3. Влияние режимов обработки ШСУ, представленное в таблицах и на графиках, имеет четкое логическое объяснение.
4. Различия данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований не превышает 20%. Это позволяет утверждать, что предложенные теоретические зависимости для расчета остаточных напряжений являются адекватными.
По результатам проведенных исследований предлагается следующая методика проектирования технологических процессов обработки шарико-стержневым упрочни-телем:
1. Задаются пределы необходимых параметров качества поверхностного слоя обрабатываемой детали.
2. Производится выбор пневмомолотка. Затем осуществляется выбор насадки с учетом имеющихся в распоряжении технолога. Для обработки малых участков рекомендуются насадки с малым числом стержней, для обработки участков большой площади - с большим числом стержней. Число слоев шаров выбирается в зависимости от высоты перепадов либо радиуса кривизны обрабатываемой поверхности.
3. Выбирается натяг при обработке и радиус заточки стержня. Для более твердых материалов подбираются большие значения натяга обработки и меньшие радиусы заточки.
4. Назначаем время обработки 10-15 секунд на площадь пучка стержней. С учетом рекомендованного выше значения подачи выбирается число проходов инструмента по поверхности детали, при этом в большинстве случаев желательно использовать обработку в один проход. При наличии нескольких вариантов сочетаний режимов обработки, позволяющих получить заданные характеристики поверхностного слоя, выбирается тот, у которого общее время обработки конкретной детали меньше.
5. Затем производится расчет среднего арифметического отклонения шероховатости обработанной поверхности, глубины упрочненного слоя, степени деформации, остаточных напряжений по формулам 1-4.
6. По результатам расчетов производится корректировка выбранных режимов обработки. Затем вновь рассчитываются параметры обработанной поверхности и так до тех пор, пока все заданные характеристики не будут располагаться в необходимых пределах.
Приведенная методика может быть использована при технологическом проектировании процесса обработки ШСУ.
Вышеприведенные технологические рекомендации были использованы при внедрении технологического процесса обработки ШСУ на ПАО «Роствертол».
Список литературы
1. Тамаркин М.А., Щерба Л.М., Тищенко Э.Э. Проектирование технологических процессов виброударной отделочной обработки шарико-стержневым упрочните-лем // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 7. С. 13-20.
2. Тамаркин, М.А. Чукарин А.Н., Исаев А.Г. Обеспечение акустической безопасности технологического процесса обработки шарико-стержневым упрочнителем плоских деталей при достижении заданных параметров поверхностного слоя // Электронное научное издание «Науковедение», 2016. №6. С. 28-35.
3. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э., Новокрещенов С.А., Морозов С.А. Разработка методики проектирования технологического процесса обработки шарико-стержневым упрочнителем с учетом формирования сжимающих остаточных напряжений // Вестник Донского государственного технического университета, 2020. № 2. С. 26-30.
4. Копылов Ю.Р. Динамика процессов виброударного упрочнения: монография. Воронеж: ИПЦ «Научная книга». 568 с.
5. Шведова А.С. Повышение эксплуатационных свойств деталей при обработке динамическими методами поверхностного пластического деформирования: Дис. ...канд. техн. наук: 05.02.08. Ростов н/Д, 2016. 144 с.
6. Тамаркин М.А. и др. Повышение качества поверхностного слоя и безопасности процесса при обработке деталей шарико-стержневым упрочнением // Вестник РГАТУ им. П. А. Соловьева. 2017. № 2 (41). С. 82-88.
7. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E., Shvedova A.S. Optimization of Dynamic Surface Plastic Deformation in Machining Russian Engineering Research, 2018. Vol. 38. No. 9. P. 726-727.
8. Тамаркин М.А., Шведова А.С., Тищенко Э.Э. Оптимизация процессов обработки деталей динамическими методами поверхностного пластического деформирования // СТИН. 2018. № 3. С. 26-28.
9. Тамаркин М.А., Шведова А.С., Тищенко Э.Э. Увеличение жизненного цикла деталей при обработке динамическими методами поверхностного пластического деформирования // Автоматизация. Современные технологии. 2018. Т. 72. № 9. С. 403408.
10. Tamarkin M.A., other. Background technology of finish-strengthening part processing in granulated actuation media // Advances in Intelligent Systems and Computing, 2019. P.118-123.
11. Тамаркин М.А., Гребенкин Р.В., Гордиенко А.В. Обеспечение надежности технологических процессов вибрационной отделочно-упрочняющей обработки деталей в среде стальных шаров // Вестник Донского государственного технического университета. 2017. Т. 17, № 3 (90). С. 38-45.
Морозов Сергей Анатольевич, аспирант, morozov-sergey@sssu.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
DEVELOPMENT OF PROCESS DESIGN METHODOLOGY BALL-ROD HARDENER
TREATMENT
S.A. Morozov
The article is devoted to research and development of technological processes on work of parts with a ball-rod hardener in order to improve their operational properties. The results of studies of influence of technological and structural parameters on productivity and quality of finishing-strengthening treatment with ball-rod hardener are given. As a result of theoretic studies, dependencies were obtained for calculating hardening parameters (hardened layer depth and degree of deformation), roughness of the treated top and residual stresses in the surface layer of the treated part. Based on the results of research, technological recommendations and a methodology for engineering calculations of rational processing parameters were developed.
Key words: ball-rod hardener treatment, surface roughness, depth of hardened layer, degree of deformation, residual stresses, improvement of operational properties.
Morozov Sergey Anatolyevich, postgraduate, morozov-sergey@sssu. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
