Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Требования, предъявляемые к деталям машин 11
1.2. Особенности абразивной финишной обработки деталей машин 12
1.3. Механические способы шлифования деталей машин со сложной формой поверхности 21
1.4. Электроабразивные, электрохимические и электрофизические способы финишной обработки деталей машин 26
1.5. Финишная обработка деталей машин свободным абразивом 28
1.6. Электрофизическое воздействие на технологические среды 30
1.7. Анализ многокомпонентной среды, состоящей из жидкости и абразивных частиц, подверженной воздействию эффекта присоединённой кавитации 33
1.8. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования 38
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование механизма финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации 40
2.1. Алгоритм решения задачи определения параметров кавитационного воздействия при финишной обработке деталей
2.2. Расчет параметров внешнего воздействия при финишной
2.3. Определение геометрических параметров ротора, обеспечивающего эффективное протекание процесса финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением
эффекта присоединенной кавитации 56
2.4. Выводы по второй главе 58 Стр.
ГЛАВА 3. Определение параметров внешнего воздействия, обеспечивающих возникновение кавитационного процесса при финишной обработки деталей машин свободным абразивом 59
3.1. Лабораторные средства и методы исследований 59
3.2. Экспериментальное определение параметров воздействия на жидкие среды, необходимого для возникновения эффекта присоединенной кавитации 63
3.3. Экспериментальное определение параметров воздействия на многокомпонентные среды, необходимых для возникновения эффекта присоединенной кавитации как интенсифицирующего процесс финишной обработки свободным абразивом 74
3.4. Выводы по третьей главе 81
ГЛАВА 4. Исследование метода финишной обработки деталей машин свободным абразивом 82
4.1. Исследование влияния внешнего воздействия на параметры процесса на финишной обработки деталей машин 82
4.2. Исследование влияния концентрации и размера абразивных частиц на качество и производительность финишной обработки деталей машин 90
4.3. Исследование возможности обработки окисленных поверхностей деталей машин с применением эффекта присоединенной кавитации 94
4.4. Выводы по четвертой главе 102
ГЛАВА 5. Разработка метода финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации 103 Стр
5.1. Особенности применения метода финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта
присоединенной кавитации 103
5.2. Разработка схем крепления различных типов деталей и выбор параметров финишной обработки деталей машин свободным абразивом 107
5.3. Метод полировки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации 111
5.4. Преимущества кавитационной финишной обработки деталей машин свободным абразивом по отношению к другим методам 112
5.5. Технико-экономическая эффективность внедрения результатов работы 113
5.7. Выводы по пятой главе 116
Заключение и общие выводы 118
Список литературы 120
- Механические способы шлифования деталей машин со сложной формой поверхности
- Расчет параметров внешнего воздействия при финишной
- Экспериментальное определение параметров воздействия на жидкие среды, необходимого для возникновения эффекта присоединенной кавитации
- Метод полировки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации
Механические способы шлифования деталей машин со сложной формой поверхности
Эффективная финишная обработка деталей машин, выполненных из широкого ряда сплавов (ТГ-150, НбЦ, Н65В2МЦ, Н610В5МЦУ, МБВП, МВ-50, МД50Н2К, МЧВП, ЦМ-2А и т.д.) требует стабильной работы абразивного инструмента, что возможно при наличии большого сортамента абразивных материалов и компоновок, теоретический подбор которых чаще всего сложен и базируется лишь на практическом опыте. Вследствие этого традиционные методы практически не применимы для высокопроизводительной финишной обработки деталей машин, имеющих сложный профиль поверхности и изготовленных из современных труднообрабатываемых материалов [14].
Можно сделать вывод о необходимости разработки новых методов финишной обработки деталей машин, позволяющих в полной мере использовать возможности современных как инструментальных - абразивных, так и конструкционных материалов.
Проблемы, связанные с финишной обработкой деталей машин широко рассмотрены в литературе [15,16,17]. Однако опубликованные данные носят обзорный характер, а предлагаемые решения дают повышение эффективности лишь в частных случаях. Авторы связывают это с интенсивным износом режущего инструмента при обработке деталей машин, имеющих сложный профиль поверхности и выполненных из труднообрабатываемых материалов, сопровождающимся повышенной шероховатостью поверхности, а применение обычных абразивных инструментов считают малоэффективным, а иногда практически невозможным.
Наряду с электрокорундом и карбидом кремния и их усовершенствованными разновидностями, такими как циркониевый электрокорунд и монокорунд, все большее значение приобретает группа эльборовых и алмазных инструментов для финишной обработки деталей машин. Сверхтвердые абразивы - это природные или синтетические алмазные зерна и зерна кубического нитрида бора (КНБ или эльбор). КНБ имеет высокую стоимость, вследствие чего в промышленном производстве применяется исключительно для обработки закаленных сплавов. С помощью алмазов обрабатываются твердые материалы, такие как керамика, стекло, карбиды, оксиды, нитриды, композиты на углеродо- и стекловолокнистой основе, и собственно алмаз, а также различные пластмассы и резина. При алмазной финишной обработке мгновенные, контактные и средние установившиеся температуры поверхности детали обычно бывают ниже, чем при работе абразивом на основе оксидов алюминия. Это объясняется тем, что алмазные зерна имеют более острые режущие кромки, поэтому происходящий процесс резания характеризуется снижением пластической деформации сплава. Как показывают исследования [18], алмазные круги хорошо себя зарекомендовали при обработке металлокерамических твердых сплавов и других неметаллических материалов. Их применение при шлифовании черных сплавов может быть эффективным только для обеспечения высокого качества обработанной поверхности до шероховатости требуемой поверхности Ra 0,32 мкм. В первую очередь это связано с тем, что в большинстве случаев из-за несовершенства кругов используется не более 5 -10% потенциальных режущих свойств алмазных зерен. Значительная часть (более 90%) алмазных зерен, не производя полезной работы, вырывается из связки и хрупко разрушается. Алмазные инструменты не имеют пор, поэтому отходы шлифования, главным образом стружка, должны размещаться на рабочей поверхности круга между зернами, связкой и обрабатываемой поверхностью. С увеличением длины и толщины стружки это может привести к заполнению межзернового пространства инструмента, в результате чего увеличивается работа трения и теплонапряженность процесса. В этих условиях потенциально высокие режущие свойства алмаза не могут реализовываться [19].
Алмаз при его использовании в существующих процессах абразивной обработки как инструментальный материал имеет существенный недостаток. При повышенной температуре (более 800 С) он вступает в химическую реакцию с железом и его сплавами и теряет работоспособность в результате своего растворения. Обработка сплавов на основе никеля, хрома, тантала, ванадия и титана сопровождается их повышенной адгезией с алмазными зернами, в результате чего последние теряют режущие свойства, что сопровождается их повышенным износом.
Кроме того, при обработке титана необходимо учитывать, что при температурах выше 600 С титан активно взаимодействует с кислородом, азотом и водородом из (окружающей среды) воздуха. В результате возрастают его твердость и прочность, а пластические свойства резко падают, что приводит к повышению хрупкости сплава.
Необходимо создавать новые технологические процессы и методы финишной обработки деталей машин, способные эффективно использовать преимущества алмазных абразивных материалов.
Выполнение традиционных операций финишной обработки деталей машин сопровождается значительным силовым и температурными воздействиями на деталь, что приводит к изменению свойств поверхности деталей и неизбежно создает в них внутренние остаточные напряжения, что является одним из факторов появления дефектов (трещин), а также фазово-структурных изменений.
Факторы, наиболее сильно влияющие на качество и эффективность абразивной финишной обработки деталей машин: - низкий коэффициент теплопроводности, что резко повышает температуру в зоне обработки традиционными инструментами. Коэффициент теплопроводности титанового сплава ВТ-22 в 3-10 раз меньше, чем у некоторых марок сталей, алюминиевых и никелевых сплавов; - малая пластичность деформаций в зоне резания приводит к хрупкому разрушению поверхностного слоя детали и снижению периода стойкости абразивного инструмента. При высоких температурах, возникающих в зоне обработки, в среде содержащей кислород, водород, углерод, азот и алюминий возникают рекристаллизационные процессы, в результате происходит преобразование материала с образованием гексагональной плотноупакованной кристаллической решетки (оксикарбиды, оксикарбонитриды); - адгезия абразива с обрабатываемым материалом приводит к повышению коэффициента трения и возникновению вырывов на поверхности материала [20]; - изменение характеристик деталей с заданными параметрами упругости после термообработки (торсионные трубки, точные тарельчатые пружины), не допускается перегрев их поверхности при шлифовании, который приводит к изменению механических свойств; - возникающие в процессе обработки вибрации детали, станка и самого инструмента генерируют значительные импульсные (ударные) нагрузки в зоне резания, что приводит к механическому разрушению абразивных зерен инструмента и снижения параметров обрабатываемой поверхности. Дефекты поверхности, которые могут возникнуть при абразивной обработке деталей, регламентированы ГОСТ 23505-79 и могут проявляться в виде царапин, сколов, шлифовочных прижогов, трещин, огранки, следов выкрашивания и задиров.
Расчет параметров внешнего воздействия при финишной
Интенсификация методов финишной обработки деталей машин, основанная на применение эффекта присоединенной кавитации, возможна только при его развитии во всем объеме рабочей жидкой среды. Определение высоты столба квитирующей жидкости производится на основе решения уравнения Ньютона, отражающего параметры движения вязкой жидкости: F = ju — S dx . (2.34) где F - сила трения, возникающая между условными слоями жидкости при dv_ их взаимном движении, jx - градиент скорости (скорость сдвига), S - площадь сечения, - динамическая вязкость.
Расчетная схема для определения высоты столба кавитирующей жидкости над торцевой поверхностью ротора представлена на Рис. 2.6.
Определение высоты столба кавитирующей жидкости, создаваемого при вращении слоя жидкости, можно определить из условия равенства сил, приложенных к его вращению, силам трения о внутреннюю поверхность устройства. dv mp M dR П (2.35) где /- высота столба квитирующей жидкости над торцевой поверхностью ротора. Ftarcp Корпус Кавигір/яіряхуїдкссть Рис. 2.6. Расчетная схема Крутящий момент, приложенный к ротору, необходимый для образования эффекта присоединенной кавитации во всем объеме устройства, исходя из условий определенных в параграфе 2.1, имеет следующий вид:
Например, при радиусе ротора равном 20 мм, а радиусе внутренней поверхности устройства - 45 мм, высота столба кавитирующей жидкости над торцевыми поверхностями ротора составит 38 мм.
Таким образом, найдены необходимые параметры устройства, обеспечивающие протекание эффекта присоединенной кавитации во всем объеме рабочей среды.
1. Теоретически определены параметры метода финишной обработки деталей машин, обеспечивающие возникновение эффекта присоединенной кавитации, в частности в граничной области вращающегося активатора, во всем объеме жидкой технологической среды и достижения его максимальной интенсивности. 2. Определены геометрические параметры устройства, обеспечивающие эффективное протекание процесса финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации во всем объеме рабочей среды.
Исходя из сложности физико-химических процессов, протекающих в кавитирующей технологической среде, состоящей из нескольких компонентов, в диссертационной работе используется поэтапная методика проведения эксперимента: - проведение экспериментов на модельной жидкости без добавления в нее твердых частиц, практическое нахождение пороговых значений возникновения эффекта присоединенной кавитации; - проведение экспериментов в средах «Жидкость - твердые частицы»; - проведение экспериментов по финишной обработке деталей машин сводным абразивом в кавитирующей технологической среде. Оптимизация технологических параметров исследуемого процесса.
Лабораторные устройства Для исследования параметров эффекта присоединенной кавитации, влияющего на протекание процесса финишной обработки деталей машин разработаны устройства, изображенные не Рис. 3.1 и позволяющие получать рассматриваемый эффект во всем объеме рабочей среды.
Для определения наличия эффекта кавитации в жидкости можно воспользоваться её физическим свойством - изменением электропроводности.
Датчик позволяет по средствам осциллографа фиксировать изменение электрического сопротивления среды, анализ которого позволит утверждать о наличии кавитационных пузырьков, то есть свидетельствовать о возникновении эффекта присоединенной кавитации.
Датчик, конструкция которого представлена на Рис. 3.3, представляет собой цилиндрический корпус 1, имеющий два капиллярных канала (4), который ввинчен заподлицо в стенку гильзы. В донья каналов вмонтированы электроды 2, непосредственный контакт между ними исключен при помощи пластинки из пластмассы 3 [80]. Рис. 3.3. Схема датчика для определения порога кавитации [80]
Для оценки изменения крутящего момента на роторе, а также создания и поддержания заданной частоты его вращения в диссертационной работе использован преобразователь частоты векторный «Овен ПЧВ», изображенный на Рис. 3.5, в сочетании с электродвигателями АИСВ-120 и АИР 56А2УЗ, представленным на Рис. 3.6. Рис. 3.5. Преобразователь частоты векторный «Овен ПЧВ»
Комплекс технического программного обеспечения «ОВЕН 7.5», позволяет получать и обрабатывать информацию в цифровом виде от регулятора частоты по средствам интерфейса RS-485. На Рис. 3.7 представлен процесс задания динамических параметров приводов и их дальнейшего контроля и обработке.
В последующем информация по средствам Microsoft Excel передается для анализа в программную среду Mathcad 14, где происходит определение критических точек графиков зависимостей, отражающих практические пороговые значения возникновения эффекта присоединенной кавитации.
Экспериментальное определение параметров воздействия на жидкие среды, необходимого для возникновения эффекта присоединенной кавитации
При проведении экспериментов на модельной жидкости без добавления твердых частиц, наиболее достоверными по отношению к теоретическим данным о пороге возникновения эффекта присоединенной кавитации и развития ее интенсивности являются данные, полученные путем измерения перепадов давления в технологической среде. В связи с этим принято решение об использовании этого параметра как основного для определения пороговых значений наступления эффекта присоединенной кавитации в системе «жидкость -твердые частицы».
Исходя из сложности физико-химических процессов, протекающих в кавитирующей технологической среде, состоящей из нескольких компонентов, опыты по изучению возникновения данного эффекта можно условно разделить на две группы: - изучение характеристик кавитирующей технологической среде с твердой фракцией размером, сопоставимым с размерами молекул жидкой фракции, для модельной жидкости (вода) с размерами до 10-15 нм; - изучение характеристик кавитирующей технологической среде с твердой фракцией размером более 10-15 нм.
В диссертационной работе проведены серии экспериментов по получению эффекта присоединенной кавитации в системе «жидкость - твердые частицы» с использованием абразивных порошков марок: - SiC (карбид кремния) марок F220, F180, F150, F46, F24, F14, М20, М80; - микрошлифпорошки карбида кремния SiC марок F1200, F400, М8. В Таблице 3 приведены изображения используемых при проведении экспериментов абразивных материалов.
Возникновение избыточного давления в ограниченном пространстве, заполненном жидкой средой и газом, без изменения ее температуры и массы свидетельствует о возникновении в жидкой среде под действием внешних сил, в частности механического воздействия, парогазовых полостей, то есть эффекта присоединенной кавитации.
Судя по скачкообразному изменению изображенного на Рис. 3.19 графика давления в гетерогенной среде, подверженной воздействию эффекта присоединенной кавитации, при изменении скорости вращения привода, делаем вывод о практическом наступлении и пороговых значениях возникновения эффекта присоединенной кавитации. Полученные данные приведены в
На Рис 3.19 представлена зависимость отражающая изменение давления в гетерогенных средах, состоящих и жидкости и твердых частиц с различными размерами, от интенсивности внешнего механического воздействия.
На Рис. 3.20 и 3.21 представлен процесс возникновения эффекта присоединенной кавитации в гетерогенной среде. Рис 3.20 отражает процессы происходящие в переходном режиме, а имеемо отсутствие эффекта присоединенной кавитации во всем объеме технологической среды. Рис. 3.21 отражает возникновение эффекта присоединенной во всем оюъеме технологической среды.
Возникновение эффекта присоединенной кавитации в гетерогенной среде. Модельная рабочая - дистиллированная вода + SiC F150 в пропорции по массе 7% , частота вращения привода 5500 об/мин Таблица 4. Практические и теоретические данные о пороговых значениях возникновения эффекта присоединенной кавитации в технологической среде «жидкость твердые частицы»
Параметр/значение Теоретическое Практическое Среда с твердой фракцией размером до 10-15 нм (SiC F1200) в пропорции по массе 7% Среда с твердой фракцией размером более 10-15 нм (SiC F150) в пропорции по массе 7% Среда с твердой фракцией размером до 10-15 нм (SiC F1200) Среда с твердой фракцией размером более 10-15 нм (SiC F150) Значение, об/мин Значение, об/мин Расхождение, % Значение, об/мин Расхождение, % Порогвозникновения эффектакавитации в граничном слое, об/мин 98 100 95 5 97 3 Порогвозникновения эффектакавитации во всем объеме среды, об/мин 4850 4970 4800 1 4850 3 Значение прикоторомдостигаетсямаксимальнаяинтенсивностьэффектакавитации 6085 61 ПА 5500 10 5600 Среднее, % Среднее, % 5,5 4 Результаты теоретических и практических данных, представленных в Таблице 4, имеют расхождение не более 10%. На основе полученных данных создана программа расчета оптимального кавитационного воздействия на заданные гетерогенные среды с целью интенсификации, протекающих в них технологических процессов, текст которой представлен в приложении, а интерфейс - на Рис. 3.22., где:
Рнас.пар. - давление насыщенных паров базовой жидкости; Р, - абсолютное давление над поверхностью жидкой среды, подвергаемой воздействию присоединенной кавитации; m - динамическая вязкость жидкости; а - радиус ротора; R - радиус внутренний поверхности корпуса устройства; Vr - скорость движения среды на внутренней поверхности корпуса устройства; и - обороты ротора, при которых происходит возникновение эффекта присоединенной кавитации в объеме устройства.
Свойство жидкости Геометрические параметры устройства й Рноспор І256 а 40 Диаметр ротора мм 63 R 40 Диаметр устройства мм Р1 I1000 V l Скорость движения среды на внеше поверхности устройства, м/с Рассветная скорость вращения ротора об/мин п 5874 Расчет mu -динамическая вязкосп р1 - избыточное давление среды Рис. 3.22. Интерфейс программы расчета оптимального кавитационного воздействия
Таким образом, создана методика определения необходимого внешнего воздействия для возникновения эффекта присоединенной кавитации во всем объеме технологической среды и обеспечивающей интенсификацию разрабатываемого метода финишной обработки деталей машин свободным абразивом
Разработана программа расчета динамических параметров ротора, для проведения финишной обработки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации.
Метод полировки деталей машин свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации
Для определения оптимальной для финишной обработки деталей машин концентрации свободного абразива в технологической среде, проведена серия экспериментов по определению скорости съема материала и качества получаемой поверхности. Для проведения эксперимента, процесс которого отражен на Рис. выбрана деталь, представляющая собой тело вращения и выполненная из дюралюминия Д-16, а в качестве технологической среды используется дистиллированная вода .и свободный абразив SiC F46.
Процесс обработки: а) исходное состояние, б) обработка детали свободным абразивом При проведении эксперимента использовались технологическая среда с различной концентрацией абразивных частиц: 4, 8, 11, 15, 20 ,25 %. Фиксация скорости съема материала проводилась путем измерения диаметра детали через каждую минуту обработки. Полученные данные представлены в виде графика Рис. 4.11.
Следует отметить, что при финишной обработке свободным абразивом предлагаемым способом деталь является активатором технологической среды. При заданном внешнем воздействии, кавитирующая жидкая среда и вращающаяся деталь образуют самоорганизующуюся, устойчивую синергетическую систему. Зависимость скорости съемо материала от концентрации абрази&ных частиц В СОК 16 20 Концентрация абразибных частиц Ь СОТС, % от общей массы При проведении эксперимента оценивалось качество поверхности получаемой детали. При меньшей концентрации абразивных частиц в технологической среде наблюдается меньшая шероховатость поверхности обработанной детали. Ухудшение параметра шероховатости поверхности наблюдается при концентрации абразива выше 25-30 % от общей массы технологической среды.
Шероховатость поверхности детали из дюралюминия Д-16 после обработки в течение 8 минут, при использовании в качестве технологической среды дистиллированной воды и абразива - SiC F46 (концентрация 8%), составила Ra = 3.5 мкм. Фотография ее поверхности представлена на Рис. 4.12. Шероховатость поверхности детали до обработки соответствовала Ra = 12,5 мкм.
Шероховатость поверхности детали из дюралюминия Д-16 после обработки в течение 8 минут, при использовании в качестве технологической среды дистиллированной воды и абразива - SiC F46 (концентрация 30%), составила Ra = 4,2 мкм. Шероховатость поверхности детали до обработки соответствовала Ra = 12.5 мкм.
Фотография поверхности обработанной детали. Материал - Д-16. Шероховатость поверхности 3,5 мкм. X 500
Из результатов эксперимента следует, что для достижения наибольшей эффективности абразивной обработки с применением эффекта присоединенной кавитации наиболее целесообразно использовать технологические среды с концентрацией абразивных частиц 8-20 % от ее общей массы. Для особо точных деталей необходимо производить финишную обработку в технологической среде с концентрацией абразива 5-Ю % от ее общей массы. Для оценки влияния размера абразивных зерен на параметры шероховатости поверхности проведены серии экспериментов по обработке детали из дюралюминия Д-16. При обработке заготовок из дюралюминия их исходная шероховатость составила Ra = 12,5, в течение 18 минут при использовании абразивного материала к концентрации 15 % массе получены следующие результаты, представленные в Таблице 5. Оценка параметра шероховатости проведена на базе ОА «ГРПЗ» с применением профилометра TIME 3221. Таблица 5.
Минимальная шероховатость, достигнутая в процессе финишной обработки с применением эффекта присоединенной кавитации Абразив/ размеры зерен, мкм Шероховатость обработанной поверхности, мкм SiCF150/106-63 Ra - 0,25 SiC М80/ 80 Ra = 0,l7 SiCF 1200/3-1 Ra = 0,08 При проведении экспериментов подтверждена достоверность существующей зависимости параметра шероховатости поверхности при шлифовании и полировании от размеров используемых абразивных зерен для финишной обработки с применение эффекта присоединенной кавитации. Соответствующие данные представлены в Таблице 6.
Таким образом, экспериментально подтверждены зависимости качества получаемой поверхности детали при финишной обработки деталей машин с применением эффекта присоединенной кавитации от концентрации и размеров используемых абразивных частиц.
Совершенствование и разработка новых методов полирования и обработки деталей машин с возможностью снятия заусенцев и притупления острых кромок является одной из наиболее актуальных задач современного машиностроительного и приборостроительного производств.
Сущность предлагаемого способа финишной обработки, в том числе снятие оксидов с поверхности металлов заключается в обработке деталей машин с применением свободного абразива, получающего энергию резания от квитирующей технологической среды.
Процесс обработки протекает при использовании специального состава технологической среды, твердыми компонентами которого являются абразивные зерна, технический мел, оксид кальция, магния и железа, древесная стружка или тальк.
Такие присадки имеют «чешуйчатую» структуру, что способствует проникновению абразива в труднодоступные участки профиля поверхности, а также уменьшению скорости съема материала и получению поверхности детали с меньшими параметрами шероховатости.