К определению степени покрытия после дробеударной обработки

Оригинальная статья / Original article УДК 621.98.042

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11-45-52

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СТЕПЕНИ ПОКРЫТИЯ ПОСЛЕ ДРОБЕУДАРНОЙ ОБРАБОТКИ

© В.П. Кольцов1, Ле Чи Винь2, Д.А. Стародубцева3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. Наиболее перспективным направлением в области формообразования длинномерных панелей и обшивок является использование дробеударной обработки. Данный метод позволяет достигнуть высокой точности получаемых контуров наряду с увеличением производительности процесса, реализацией эффекта упрочнения, повышающего усталостную прочность и долговечность деталей. Достижение необходимой точности формы при дробеударном формообразовании происходит при применении неполной степени покрытия обрабатываемой поверхности отпечатками дроби, что говорит об эффективности процесса по производительности. В связи с этим встает вопрос о наиболее быстром и точном способе определения степени покрытия. ЦЕЛЬ. Повышение точности и снижение трудоемкости определения степени покрытия после дробеударной обработки за счет разработки новой методики. МЕТОД. Предложена методика расчета степени покрытия, основанная на измерении глубин отпечатков дроби с помощью метода трехмерного оптического сканирования. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведенные исследования подтвердили эффективность предложенной методики и, в сравнении с традиционными методами определения степени покрытия, существенное повышение точности, а также снижение трудоемкости подсчета.

Ключевые слова: степень покрытия, дробеударное формообразование, отпечатки, исследование поверхности, оптический метод трехмерного сканирования.

Формат цитирования: Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. К определению величины степени покрытия поверхности после дробеударной обработки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 45-52. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-45-52

TO THE PROBLEM OF SHOT PEENING COVERAGE DEGREE DETERMINATION V.P. Koltsov, Le Tri Vinh, D.A. Starodubtseva

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.

ABSTRACT. The most promising direction in the field of shaping long-length panels and plating is the use of shot peen-ing. The present method allows to achieve a high accuracy of the obtained contours together with the increase in the productivity, implementation of the strengthening effect improving the fatigue strength and durability of parts. Under shot peening the required precision of the shape is achieved through the use of the incomplete coverage of the treated su r-face by the shot peening indents. This indicates the efficiency of the process productivity. In this connection, the question arises of the quickest and the most accurate method of coverage degree determination. The PURPOSE of the paper is to improve the accuracy and reduce the labour intensity of determination of shot peening coverage degree through new method development. METHODS. A method for calculating the coverage degree is proposed. It is based on the measurement of the shot indent depths using the method of three-dimensional optical scanning. RESULTS. The conducted studies confirmed the effectiveness of the proposed method. As compared with traditional methods of coverage degree determination it significantly increases accuracy and reduces the labor intensity of calculation. Keywords: coverage degree, shot peen forming, indents, surface analysis, optical method of three-dimensional scanning

For citations: Koltsov V.P., Le Tri Vinh, Starodubtseva D.A. To the problem of shot peening coverage degree determination. Proceedings of Irkutsk State Technical university. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 45-52. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11 -45-52

1Кольцов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: kolcov@istu.edu

Vladimir P. Koltsov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Production, e-mail: kolcov@istu

2Ле Чи Винь, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: vinh_istu@mail.ru

Le Tri Vinh, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment

of Machine-Building Production, e-mail: vinh_istu@mail

3Стародубцева Дарья Александровна, магистрант, e-mail: d.star-irk@yandex.ru

Daria A. Starodubtseva, Master's Degree Student, e-mail: d.star-irk@yandex

©

Введение

В самолетостроении для получения сложных криволинейных форм поверхностей панелей и обшивок эффективно применяется способ дробеударного формообразования [1]. При этом степень покрытия (отношение площади отпечатков дроби на исследуемом участке ко всей площади исследуемого участка) является важнейшим показателем структуры и степени силового

воздействия на поверхность детали.

В мировой практике применяют различные методы определения степени покрытия после дробеударной обработки. Как правило, эти способы сводятся к выделению (окраске) и измерению различным образом площади отпечатков [2-6]. Трудоемкость и точность этих методов оставляют желать лучшего.

Анализ обработанной дробью поверхности оптическим методом трехмерного

сканирования

В процессе дробеударной обработки в целом и при дробеударном формообразовании в частности от ударов дроби об обрабатываемую поверхность образуются многочисленные отпечатки различных диаметров и глубин. Результаты исследований многих авторов показали, что распереде-ление отпечатков дроби на обрабатываемой поверхности является случайным, а плотность распределения и размеры отпечатков зависят от многочисленных факторов, включая режимы обработки, физико-механические свойства как дроби, так и обрабатываемого материала и др.4 [7].

Для проведения исследований были взяты образцы из алюминиевого сплава В95 размером 110х110х5 мм. Образцы были предварительно фрезерованы и в последующем подвергнуты дробеударной обработке на режимах формообразования.

Изучение микрогеометрии поверхностного слоя образцов в ходе экспериментов выполняли при помощи 3D оптического профилометра Bruker Contour GT-K1. Использование вышеназванного прибора позволяет замерить фактическую глубину и профиль каждого отпечатка дроби, а также все параметры шероховатости на сканируемом участке поверхности.

Возможность измерения с высокой точностью глубины каждого отпечатка с помощью профилометра позволила авторам настоящей статьи разработать методику определения степени покрытия по числовым значениям глубин отпечатков.

На рис. 1, а (вид в плане) показан сканированный участок поверхности образца со следами дробеударной обработки. На диаграммах (рис. 1, Ь) приведен микропрофиль этой поверхности в заданном сечении по осям абсцисс и ординат через один из наибольших отпечатков с измеренным значением глубины Az.

Анализ сечений профилей отпечатков позволяет предположить, что их форма близка к сферической с незначительными наплывами по периферии отпечатка. Для уточнения были проведены расчеты геометрических радиусов отпечатков в плане (на поверхности образца) по их фактической глубине ^ исходя из формулы расчета радиуса шарового сегмента:

"

п = - (Rs - hi)2

где ц - радиус отпечатка в плане; Я5 - радиус дроби; ^ - глубина отпечатка.

4Мосейко В.В. Обеспечение рациональных технологических режимов дробеобработки на основе закономерностей ударной контактной деформации: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. Волгоград, 2007. 20 с. / Mosei-ko V.V. Provision of rational technological shot peening modes on the basis of shock contact deformation regularities: author's abstract of the Candidate's Dissertation in technical sciences: 05.03.01. Volgograd, 2007. 20 p.

a b

Рис. 1. Типичный профиль отпечатка после дробеударного формообразования Fig. 1. Typical indent profile after shot peening

Проверка точности предлагаемой методики

Поскольку распределение отпечатков дроби на поверхности образца и размеры их радиусов носят случайный характер, для определения площади сканирования, при которой процесс становится стационарным, были взяты участки различных размеров, мм: 7Х7; 10х10; 15х15 и 20х20. При этом измерения выполнялись от одной точки с постепенным ростом длины и ширины сканируемого участка от 7 до 20 мм.

Для проверки точности предлагаемой методики были проведены замеры реальных размеров радиусов отпечатков в плане при помощи программы Auto CAD по сканированной цифровой модели образца. Радиус используемой при обработке дроби составлял Rs = 1,75 мм. Фрагмент результатов измерений радиусов и глубин отпечатков дроби, а также расчетные значения радиусов отпечатков представлены в табл. 1.

Диаграмма фактических и расченых значений радиуса отпечатков дроби на участке размером 20х20 мм представлена на рис. 2.

Вследствие случайности процесса распределения отпечатков дроби на обработанной поверхности для определения степени покрытия необходимо определить математическое ожидание r¡ как средне-

взвешенное значение радиусов отпечатков на рассматриваемом участке поверхности. По результатам анализа отсканированных поверхностей можно отметить, что распределение отпечатков на поверхности является дискретным [8, 9]. В связи с этим математическое ожидание величины радиуса отпечатка на поверхности будет представлено в виде:

М(П ) = •р; = *1 -Р1 +

+*2-р2 + -+ Хп^Рп,

где М(Г[ )- математическое ожидание величины радиуса отпечатка в плане; х{ - значение радиуса /-го отпечатка в плане; р; - вероятность появления /-го отпечатка в плане.

Анализ значений глубин и радиусов отпечатков на всех исследуемых сканированных площадях показывает, что, несмотря на одинаковые условия обработки, радиус каждого из отпечатков отличается и практически отсутствует совпадение значений. В таком случае вероятность появления Р( каждого из отпечатков можно принять одинаковой и считать 1/п (п - количество отпечатков).

Таблица 1

Фрагмент результатов измерений и расчетов радиусов отпечатков

на участке размером 20х20 мм

Table 1

A fragment of indent radii measurement and calculation results on the section of 20x20 mm

Номер отпечатка дроби / Peening indent number Измеренный радиус отпечатка дроби, мкм / Measured peening indent, ^m Измеренная глубина отпечатка дроби, h, мкм / Measured depth of the peening indent, h, ^m Расчетный радиус отпечатка дроби, мкм / Calculated radius of the peening indent, ^m

1 184 33,776 342,160

2 248 20,012 263,895

3 217 10,991 195,822

4 125 21,103 270,949

5 151 6,273 148,035

6 314 14,298 223,249

7 379 44,745 393,200

8 216 15,166 229,891

9 265 22,937 282,408

10 106 15,438 231,940

177 364 41,016 376,663

178 512 76,791 512,711

179 393 45,129 394,862

180 503 80,426 524,424

181 244 9,504 182,140

182 325 20,393 266,383

183 209 3,979 117,948

184 263 22,106 277,274

185 208 6,076 145,697

186 415 66,445 477,643

187 258 35,743 351,884

188 291 22,955 282,518

189 293 20,091 264,414

Среднее значение / Mean 241,497 18,841 235,847

©

ш

Рис. 2. Диаграмма фактических и расчетных значений радиуса отпечатков дроби на сканированном участке размером 202 мм Fig. 2. Diagram of actual and calculated values of peening indent radii of on the scanned section of 20x20 mm

Таким образом,

) = ^^ ^ = Х1 ^ +

+Х2-Р2 + -+ Хп • рп = - • £1=1 г . (3) На основании формулы (3) выполнены расчеты математического ожидания значений радиусов отпечатков на исследу-

емых площадях и их сравнение со средним значением фактической величины радиуса на этих же площадях. Общий результат измерений и расчетов на четырех исследуемых площадях представлен в табл. 2.

Общий результат измерений и расчетов General result of measurements and calculations

Таблица 2 Table 2

Размер исследуемого участка, мм / The size of the area under investigation, mm Количество отпечатков дроби / Amount of peening indents Средняя фактическая глубина отпечатков дроби, мкм / Average actual depth of peening indents, |jm Среднее фактическое значение измеренных радиусов, мкм / Average actual value of the measured radii, jm Математическое ожидание радиуса отпечатков дроби / Mathematical expectation of the indent radius Отклонение, % / Divergence, %

7x7 39 13,895 179,743 189,999 -5,706

10x10 57 17,835 233,877 231,125 1,177

15x15 120 18,368 236,225 233,507 1,151

20x20 189 18,841 241,497 235,847 2,340

Исходя из данных табл. 2, среднее фактическое значение измеренных радиусов отпечатков существенно не отличается от расчетного математического ожидания. Следовательно, для дальнейшего измерения расчета степени покрытия обрабатываемой поверхности допустимо использование глубины отпечатков дроби.

Исследование микрорельефа отпечатков показало, что высота наплыва материала не превышает высоту исходного микрорельлефа, образованного фрезерованием, поэтому влиянием наплыва на расчетную величину степени покрытия можно пренебречь. Как правило, при дробеударном формообразовании выбирают режимы обработки с небольшой степенью покрытия (до 30%), поэтому перекрытие отпечатков практически на всех опытных образцах отсутствует.

На рис. 3 показана схема формирования отпечатка дроби.

Расчетная степень покрытия Кс на

основании измеренных значений глубин отпечатков дроби определяется как

Kc = ^.Il1№-

где So6 - общая площадь исследуемого участка; i - номер отпечатка; n - количество отпечатков дроби на исследуемой площади; Rs - радиус дроби; h - глубина i-го отпечатка дроби.

Нна основании измереннных радиусов отпечатков (Auto CAD) определяется фактическая степень покрытия:

Кр =

so6

где т{ - радиус /-го отпечатка в плане.

Значения расчетной (4) и фактической (5) степени покрытия, а также отклонение полученных значений приведены в табл. 3.

Рис. 3. Схема образования отпечатка при дробеударном формообразовании: Rs - радиус i-го отпечатка дроби после внедрения (до упругого восстановления);

Rt - радиус i-го отпечатка дроби после упругого восстановления; rt - радиус отпечатка в плане на средней плоскости от исходной шероховатости; hs - геометрическая глубина внедрения дроби; hi - глубина отпечатка дроби после упругого восстановления Fig. 3. Scheme of indent formation under shot peening: Rs - radius of the i-th shot peening indent after indention (before elastic recovery);

Ri - radius of the i-th shot peening indent after elastic recovery; ri - radius of the indent in the plan on the mean plane from the initial roughness; hs - geometric depth of shot indentation; hi - depth of shot peening indent after elastic recovery

Таблица 3

Расчет степени покрытия

Table 3

Cal culation of coverage degree

Размер Количество Расчетное

исследуемого отпечатков значение степени Фактическое значение

участка, мм / дроби / покрытия, Кс, % / степени покрытия Кр, % / Отклонение, % /

The size Amount Calculated value Actual value Divergence, %

of the area under of shot peening of coverage of coverage degree Kp, %

investigation, mm indents degree, Kr, %

7x7 39 12,041 10,741 -12,103

10x10 57 11,077 10,935 -1,282

15x15 120 10,668 10,616 -0,490

20x20 189 9,690 10,306 5,977

Данные табл. 3 показывают, что на участке размером 7Х7 мм отклонение расчетной степени покрытия от фактической значительно больше, чем на остальных сканированных участках. Это говорит о том, что на этом участке процесс распределения отпечатков все еще является случайным, а при дальнейшем увеличении площади сканирования процесс становится все более

стационарным.

Таким образом, значение степени покрытия зависит от математического ожидания радиуса отпечатков на обрабатываемой поверхности, а точность расчетов будет более стабильной при увеличении количества отпечатков на большей площади исследования.

Выводы

1. Предложена методика расчета степени покрытия при дробеударной обработке по значениям глубин отпечатков дроби, полученных с помощью современных интерференционных микроскопов. Данная методика позволяет сократить трудоемкость и повысить точность определения

степени покрытия.

2. Анализ данных табл. 2 и 3 показывает, что базовая площадь сканирования зависит от степени покрытия, для исследуемых образцов базовая площадь лежит в пределах площадей 100-225 мм2, то есть участков размером 10x10 и 15x15 мм,.

Библиографический список

1. Пашков А.Е. Технологические связи в процессе изготовления длинномерных листовых деталей. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 138 с.

2. Чапышев А.П. Статистическое описание поверхности после дробеударного формообразования // Перспективные технологии получения и обработки материалов: материалы региональной науч.-техн. конф. (Иркутск, 25-26 сентября 2004 г.). Иркутск, 2004. С. 42-46.

3. Пашков А.Е., Чапышев А.П. Учет влияния структуры зоны обработки при дробеударном формообразовании // Технологическая механика материалов: межвузовский сб. науч. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. С. 22-27.

4. Пашков А.Е., Чапышев А.П. Экспресс-метод контроля сплошности покрытия при дробеударном формообразовании // Инструмент и технологии XXI

века: сб. докладов междунар. семинара; под ред. В.И. Синицына (Иркутск, 12-14 марта 2002 г.). Иркутск, 2002. С. 117-120.

5. Дияк А.Ю. Перспективные методы определения степени покрытия при обработке дробью // Вестник ИрГТУ. 2014. № 7 (90). С. 12-17.

6. Дияк А.Ю. Определение степени покрытия автоматизированным методом // Вестник ИрГТУ. 2015. № 12 (107). С. 19-25.

7. Матлин М.М., Мозгунова А.И., Лебский С.Л. Прогнозирование параметров упрочнения деталей машин путем поверхностного пластического деформирования // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2005. № 3. С. 52-55.

8. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей: теоретико-вероятностный

подход. М.: Наука, 1975. 344 с. д;

9. Алейников Д.П., Лукьянов А.В. Определение С

гибких границ предельно допустимых значений С вибрации на основе статистической обработки

References

1. Pashkov A.E. Tehnologicheskie svjazi v processe izgotovlenija dlinnomernyh listovyh detalej [Technological relationships under production of long-length sheet metal parts]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2005, 138 р.

2. Chapyshev A.P. Statisticheskoe opisanie poverhnosti posle drobeudarnogo formoobrazovanija [Statistical description of the surface after shot peening]. Materialy regional'noj nauchno-tehnicheskoj konferencii "Perspektivnye tehnologii poluchenija i obrabotki materialov" [Proceedings of the regional scientific and technical conference "Promising technologies for materials production and treatment

3. Pashkov A.E., Chapyshev A.P. Uchet vlijanija struktury zony obrabotki pri drobeudarnom formoobrazovanii [Accounting of machining zone structure effect under shot peening forming]. Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov "Tehnologicheskaja mehanika materialov" [Interuniversity collection of scientific articles "Technological Mechanics of Materials"]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2003, рр. 22-27.

4. Pashkov A.E., Chapyshev A.P. Jekspress-metod kontrolja sploshnosti pokrytija pri drobeudarnom formoobrazovanii [Express method of coverage continuity control under shot peening forming]. Sbornik dokladov mezhdunarodnogo seminara "Instrument i

Критерии авторства

Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 26.10.2017 г.

энных мониторинга обрабатывающего центра // истемы. Методы. Технологии. 2017. № 3 (35). . 14-19.

tehnologii XXI veka" [Proceedings of the International Seminar "Instruments and technologies of the XXI century", Irkutsk, 12-14 March 2002]. Irkutsk, 2002, рр. 117-120.

5. Dijak A.Ju. Promising methods to determine surface coverage under shot peening. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2014, no. 7

6. Dijak A.Ju. Shot coverage degree estimation by a computer-aided method. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 12

7. Matlin M.M., Mozgunova A.I., Lebskij S.L. Prediction of parameters of machine part hardening by surface plastic deformation. Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Izvestia VSTU]. 2005, no. 3, рр. 52-55.

8. Husu A.P., Vitenberg Ju.R., Pal'mov V.A. Sherohovatost' poverhnostej: teoretiko-verojatnostnyj podhod [Surface roughness: theoretical and probabilistic approach]. Moscow: Nauka Publ., 1975, 344 р.

9. Alejnikov D.P., Luk'janov A.V. перевод. Determination of vibration limits values based on statistical processing of monitoring data of the machining center. Sistemy. Metody. Tehnologii [Systems. Methods. Technologies]. 2017, no. 3

Authorship criteria

Koltsov V.P., Le Tri Vinh, Starodubtseva D.A. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received on 26 October 2017