Формирование качества поверхностных слоев деталей при изменении характеристик рабочих тел для центробежно-планетарной объемной обработки

УДК 621.924.93

И. И. Артемов, А. Е. Зверовщиков, А. Н. Мартынов

ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКИ

Аннотация. Актуальность и цели. Детали сложной пространственной конфигурации часто требуют объемной отделочно-зачистной обработки с целью устранения остатков литниковых систем и облоя. Инструментом служат гранулированные шлифовальные материалы, для которых отсутствует системная оценка технологических свойств. Также не принимаются во внимание изменения при обработке свойств поверхностного слоя материала. Цель исследования: разработка приемов количественной оценки влияния параметров макроформы и жесткости связки гранул для объемной обработки на качество поверхностного слоя деталей. Материалы и методы. Проведено компьютерное моделирование контакта рабочих тел методом конечных элементов, экспериментальные исследования податливости рабочих тел, использованы положения теории абразивного резания и износа, основ математической теории эксперимента. Использованы гранулы на полимерной связке и металлические рабочие тела. Экспериментальные образцы изготовлены из конструкционных углеродистых и высоколегированных сталей. Результаты. Систематизированы технологические характеристики и конструктивные параметры гранул для объемной обработки. Разработана методика определения влияния податливости гранул на параметры контакта при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью и разработан критерий оценки процесса абразивного резания. Исследованы характеристики поверхностного слоя поверхностей после центробежно-планетарной объемной обработки. Разработаны критерии для назначения технологических режимов. Выводы. Выработаны основы оценки свойств рабочих тел для объемной обработки. Выявлены особенности и достоинства использования податливых гранул. Установлено, что при центробежнопланетарной объемной обработке происходит формирование сжимающих остаточных напряжений и упрочнение поверхностного слоя.

Ключевые слова: гранулированная среда, объемная обработка, планетарное движение, свойства гранул, податливость, моделирование, абразивное резание, качество поверхностного слоя.

1.1. Artemov, A. E. Zverovshchikov, A. N. Martynov

FORMING THE QUALITY OF SURFACE COATINGS OF WORKPIECES IN THE COURSE OF CHANGING CHARACTERISTICS OF WORKING MEDIA FOR THREE-AXIS CENTRIFUGAL TREATMENT

Abstract. Background. Work-pieces of complex space configuration often require three-dimensional fine-deseaming machining in order to liquidate remnants of gating systems and casting material. Granulated grinding material serves as an instrument; for those there is no system estimation of processing characteristics. Changes while processing properties of the surface coating of the material are not taken into account either. The aim of the research is to work out methods of quantitative as-

sessment of the impact on the quality of work-pieces’ surface coating produced by characteristics of macrostructure and inflexibility of the grain pack. Materials and methods. Computer modeling of working media contact was carried out by the fi-nite-element method, as well as experimental analysis of working media pliancy, ideas of abraser cutting and wear theory and foundations of the mathematical theory of experiment were used. Grains on resin bond and metal working media were used. Experimental samples are made of structural carbon and heat-resistant steel. Results. Technological characteristics and design factors of grains for three-dimensional machining were systematized. The method to estimate the impact of grain flexibility on characteristics of the contact point and estimation test of abraser cutting process was worked out. Characteristics of the diffusion layer of faces after three-axis planet centrifugal treatment were examined. Criteria for application of operating schedules were worked out. Conclusions. The authors worked out the grounds for evaluation of working media properties for three-dimensional machining and revealed the characteristic features and advantages of using pliable grains. It is stated that formation of compressive resting stress and hard-facing take place during three-axis planet centrifugal treatment.

Key words: granular medium, volume machining, planetary motion, characteristics of grains, pliancy, modeling, abraser cutting, condition of surface coating.

Объемная обработка в контейнерах с планетарным вращением является одним из методов, обеспечивающих эффективное шлифование и полирование мелких и средних деталей сложной формы. В промышленности используются установки различных конструкций, реализующие планетарное движение контейнеров [1, 2].

Движение массива загрузки в контейнерах этих установок позволяет реализовать скорости относительных перемещений до 2,5 м/с и давление шлифовального материала на поверхность заготовки до 0,2-0,3 МПа, что обеспечивает высокую производительность обработки, но сопровождается значительными нагрузками на абразивные гранулы (рабочие тела). В связи с этим к характеристикам гранулированного шлифовального материала, используемого при центробежно-планетарной обработке, предъявляются достаточно высокие требования.

Для объемной отделочно-зачистной обработки используется широкая гамма гранулированных материалов: бой шлифовальных кругов различной твердости, формованные гранулы на разнообразных связках, естественные органические тела (плодовые косточки), естественные абразивные материалы, деревянные кубики, металлические рабочие тела и т.д. Различные характеристики рабочих тел из перечисленных материалов обеспечивают формирование микронеровностей разного характера, упрочнение поверхности, удаление заусенцев в соответствии с технологическими задачами.

Рассмотрим технологические возможности рабочего тела при объемной обработке. Эффективность абразивных или деформирующих тел, составляющих рабочую загрузку, можно оценить по следующим аспектам:

1. Проникающая способность рабочего тела. Характеризуется возможностью формирования однородной по высоте и направлению шероховатости на поверхностях открытых, полузакрытых и закрытых зон детали.

2. Обрабатывающие свойства - способность удалять с поверхности заготовки слой материала, разрушать заусенец определенной толщины при назначенных режимах обработки.

3. Износостойкость рабочего тела. Определяется сохранением проникающей способности и обрабатывающих свойств в течение определенного основного времени.

Совокупность конструктивных параметров, обусловливающую технологические свойства рабочих тел для объемной обработки, можно отобразить диаграммой Исикавы (рис. 1).

Количественный подход к оценке некоторых характеристик формы рабочих тел представлен в ряде работ [3]. Однако большинство представленных параметров в научных работах и практической деятельности соответственно не исследованы и количественно не оцениваются.

Рассмотрим ряд неисследованных показателей рабочих тел, необходимых для имитационного моделирования. Чтобы перейти к определению формируемой на поверхности заготовки шероховатости, необходима методика определения площади S(! зоны контакта с единичным рабочим телом. Примем допущение, что давление Pz, приходящееся на поверхность единичного рабочего тела со стороны массива загрузки, определяет силу воздействия рабочего тела на поверхность заготовки. Тогда величина распределенного давления PK в зоне контакта определится как

Pk = Pz / Sе.

Соответственно изменение S(! приводит в большинстве случаев к изменению высоты формируемых микронеровностей при давлении среды P^ = const. Постоянная величина S<! характерна только для рабочих тел сферической формы. Для рабочих тел с иными формами необходимо исследование возможного изменения площади зоны контакта. Одним из факторов, усложняющих эту задачу, является податливость заготовки и рабочего тела, двигающихся в массиве загрузки. Эта податливость приводит к перемещениям заготовки и рабочего тела в момент контактирования. За счет этих перемещений происходит изменение траектории рабочего тела, которое позволяет в той или иной степени копировать форму обрабатываемой поверхности.

Податливость поверхности рабочего тела при контакте является практически неисследованной характеристикой. В исследованиях, выполняемых с применением имитационного моделирования объемной обработки, рабочее тело, как правило, рассматривается абсолютно твердым. Такое допущение справедливо для металлических шаров, приемлемо для абразивных гранул на керамической связке. Однако для определенной формы рабочих тел на полимерной основе это допущение может внести существенные погрешности в результаты моделирования.

Изготовление и использование нежестких рабочих тел существенно расширяет возможности объемной обработки. Так, в производственных условиях для ряда отделочных операций используются деревянные и войлочные кубики, некоторые естественные органические тела, которые нельзя считать жесткими при моделировании взаимодействия с поверхностью детали. Однако естественные гранулированные среды, как правило, имеют значительный разброс прочностных и абразивных характеристик. В то же время создание искусственных нежестких гранул не обеспечено на данный момент расчетными методиками и системой оценочных критериев.

202 University proceedings. Volga region

Податливость рабочего me,

Сопротивление

усталостному

износи

Внутренний коэффициент прения массива рабочих тел

Устойчивость к истиранию

зерна над связкой

Размер основания выступа зерна

Расстояние между афазивными зернами

Характеристики

связки

зерна

адиус

ори веоиине абразивного зерна

ФМС материала 'абразивного зерна

Характеристики

абразивного

материала

Насыпная плотность рабочих тел

Момент инерции рабочего тела

Масса рабочего теш

Податливость массива рабочих тел

Плишадь поверхности рабочего тела

Волнистость поверхности рабочего тела

Олина ребер ообочего тела

Радиус и угол при

Площадь

единичной

поверхности

технологических возможностей рабочего тела

Рис. 1. Систематизация параметров рабочего тела для имитационного моделирования

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

К основным отличиям податливых рабочих тел от жестких гранул относятся:

1) возможность копирования форм обрабатываемой поверхности в зоне контакта;

2) малая вероятность точечного контакта с обрабатываемой поверхностью.

Эти отличия обусловливают, с одной стороны, отсутствие глубоких наколов на обрабатываемой поверхности; с другой стороны, снижение давления в зоне контакта, уменьшая интенсивность снятия припуска. Нежесткие рабочие тела будут предпочтительны при отделочной объемной обработке с целью обеспечения малых величин Яа и блескообразования. Стоит, однако, отметить, что высокие демпфирующие способности нежестких гранул могут являться недостатком для некоторых видов объемной обработки, например, для вибрационной обработки.

На (рис. 2) представлены результаты исследований деформации ребра керамического рабочего тела (б) и пластиковой гранулы (а, в) при контактировании с поверхностью детали для различных направлений деформирующей силы. Менее жесткая гранула характеризуется увеличением площади пятна контакта и, как следствие, ростом числа контактирующих с поверхностью абразивных зерен. Таким образом, по изменению пятна контакта под нагрузкой можно судить о податливости рабочего тела с определенными конструктивными характеристиками.

Рис. 2. Контур ребра рабочего тела при деформировании: а - гранула на полимерной основе, вертикальное нагружение 70 Н; б - керамическая гранула при различных вариантах нагружения; в - гранула на полимерной основе, боковое нагружение 70 Н

Рассмотрим влияние изменения площади контактирования рабочего тела с обрабатываемой поверхностью на процесс абразивного резания.

Давление в зоне пятна контакта рабочего тела с заготовкой будет определяться силой Р, действующей на рабочее тело со стороны массива загрузки и ограничено податливостью детали, размещенной в этом массиве.

Допустим, что поверхность абразивного рабочего тела представляет собой совокупность сферических инденторов с радиусом г при вершине. Тогда соотношение И/г, где И - глубина внедрения индентора, будет определять момент перехода к пластическому деформированию и микрорезанию поверх-

ности [4]. Глубина внедрения при полностью жестком контакте в этом случае описывается функцией / от двух переменных

где Р1 - нагрузка на рабочее тело; п - число инденторов (зерен) в зоне контакта.

При нежестком контакте глубина внедрения уменьшится на величину упругих деформаций системы «рабочее тело - деталь»:

где }1 - жесткость конструкции рабочего тела; }2 - жесткость массива загрузки в динамическом состоянии.

Фактическое внедрение индентора в поверхность в этом случае определяется выражением

Так как расширение пятна контакта повлечет за собой увеличение количества зерен, контактирующих с поверхностью, до некоего числа п1, внедрение при жестком контакте составляет

Если необходимо реализовать абразивное резание нежесткими гранулами, динамические характеристики массива загрузки должны обеспечить давление Р, при котором, исходя из известного соотношения [4], глубина внедрения инденторов должна соответствовать

где т - сдвиговая прочность молекулярной составляющей; от - предел текучести обрабатываемого материала.

В случае выполнения такой технологической задачи, как полирование, или необходимости деформационной обработки нежесткими рабочими телами давление может колебаться в пределах, обеспечивающих условия пластической деформации

где С - коэффициент изменения предела текучести от масштабного фактора и наклепа; 0 - упругая постоянная обрабатываемого материала

h = fP1, n),

^пр - f2(P Ь jU J2),

h<|) h ^пр.

h^, > (0,5 - (т/ От))г,

r

отсюда

hф > 3r(Cат0)2 ,

тогда условие обработки

(

т

— r,

ах ,

3r(Cат0)2 < hф < 0,5

V

Е

где ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости.

Распределение давлений в зоне контакта рабочего тела с поверхностью заготовки (рис. 3) можно получить, с определенными допущениями, используя моделирование методом конечных элементов [3]. Исходными данными для подобного расчета являются технологические режимы обработки в контейнерах с планетарным движением. Одним из основных моментов подобного моделирования является построение модели абразивной поверхности рабочего тела.

Рис. 3. Распределение контактных напряжений в зоне контакта зерен рабочего тела с поверхностью заготовки

Таким образом, соотношения (1) и (2) можно использовать как критерий для назначения технологических режимов, динамические параметры загрузки при которых обеспечивают требуемые характеристики взаимодействия нежесткого рабочего тела с заготовкой. Поскольку для центробежнопланетарной объемной обработки (ЦПОО) и практически для всех видов объемной обработки существуют методики расчета давления Р обрабатывающей среды, а глубины внедрения зерен и высота формируемых микронеровностей при заданном давлении достаточно адекватно определяются по работам [3-5] или моделированием по методике конечных элементов (КЭ), то представленное решение задачи определения влияния податливости единичных гранул является очередным шагом к созданию адекватной модели взаимодействия абразивного рабочего тела и поверхности заготовки при объемной обработке.

Для исследования технологических возможностей ЦПОО с применением деформирующих рабочих тел были проведены вычислительные и экспе-

риментальные исследования. Объемная обработка такой гранулированной рабочей средой (ГРС) позволяет не только снизить шероховатость поверхностей заготовок, но и обеспечить упрочнение поверхностного слоя материала.

В качестве входных факторов были приняты:

1) средняя скорость движения рабочих тел в момент контакта V, м/с;

2) радиус рабочих тел Яш, мм;

3) предел текучести материала заготовки от , МПа;

4) величина исходной шероховатости заготовки Яаи, мкм.

Обеспечение требуемой средней величины скорости движения рабочих

тел V для уровней, требуемых при проведении эксперимента, обеспечивалось предварительным расчетом и назначением технологических режимов [5]. Образцы изготавливались из сталей 10, 45, 60Г2, 30Х13. Изменение предела текучести обеспечивалось соответствующей термической обработкой образцов.

Глубина отпечатка определялась расчетом в программном комплексе Лтуя ЬЗ-ОУЫЛ.

Модель в кодовых и натуральных координатах для глубины упрочненного слоя Нупр для образцов из стали 45 имеет вид

Нупр = 0,84 + 0,15х1 + 0,22х2 - 0,11х3 + 0,04х1х2 - 0,02х1х3 +

+ 0х1х4 - 0,03х2х3 + 0,03х32 - 0,01х42;

Яупр = 0,079 - 0,056 V + 0,07Дш - 0,0008ат + 0,039 ^ -

- 0,0001 Voт - 0,0002Яшат + 0,000001 ат2.

Глубина Нупр упрочненного слоя пропорциональна скорости контакта и коррелирует с глубиной внедрения рабочего тела (рис. 4).

U

' 'упр'

мм

0,5

О

-н

3

5

Ущ м/с

Рис. 4. Влияние скорости контактирования рабочего тела

с поверхностью заготовки на глубину упрочненного слоя

С ростом глубины внедрения увеличивается и площадь пятна контакта, соответственно среднее контактное давление при больших глубинах отпечатка снижается. Достижения требуемой глубины упрочнения скорости контактирования можно обеспечить регулированием частоты двух переносных вра-

щений водила и частоты вращения контейнеров при известных геометрических параметрах планетарного механизма.

Масса рабочего тела пропорциональна кубу его радиуса, поэтому рост ударного импульса определяет изменение между соотношением площади контакта и энергии взаимодействия (рис. 5). Таким образом, увеличение радиуса Яш тела является эффективным средством интенсификации упрочнения с граничным условием уменьшения проникающей способности.

ММ

1

0,5

О

3 4 5 Нш, ММ

Рис. 5. Влияние радиуса тела Яш на глубину Нупр упрочненного слоя

Большая контактная площадь и энергия удара с увеличением радиуса Яш тела позволяют обеспечить более низкую шероховатость поверхностного слоя детали.

При увеличении предела текучести от материала глубина Нупр упрочненного слоя линейно уменьшается в соответствии с известными зависимостями [6], что подтверждает ее адекватность и применимость для практического использования (рис. 6).

Рис. 6. Влияние физико-механических свойств материала

на глубину Яупр упрочненного слоя

Формирование свойств поверхностного слоя материала при центробежной объемной обработке деталей абразивными рабочими телами исследовались на образцах из стали 45, подвергнутых улучшению (НВ 192...285). В качестве рабочих тел использованы призмы ПТ 15^15.

Установлено (рис. 7), что микротвердость поверхности образцов при ЦПОО сначала несколько возрастает по сравнению с исходной, а затем стабилизируется. Время стабилизации пропорционально массе детали (рис. 7, зависимость 1).

Рис. 7. Влияние времени на микротвердость поверхности деталей при объемной обработке абразивными гранулами ПТ15х15

Это объясняется ростом динамического давления ГРС, большим моментом сопротивления динамическому воздействию элементарных слоев. Глубина деформированного слоя достигает 0,3...0,4 мм. Зависимость также имеет склонность к стабилизации, поскольку съем металла с ростом п1 также монотонно возрастает [5]. Таким образом, доля энергии взаимодействия, затрачиваемая на пластическое деформирование, уменьшается, а на диспергирование материала - увеличивается.

При обработке поверхности телами на полимерной связке упрочнение (зависимость 2 на рис. 8) значительно меньше (до 4000.4100 МПа).

Рис. 8. Влияние времени / обработки на микротвердость поверхности

Важной характеристикой качества поверхности является наличие в поверхностном слое остаточных напряжений. Установлено, что при обработке абразивными рабочими телами остаточные напряжения существенно не изменяются, а при использовании металлических рабочих тел в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия (рис. 9), которые на глубине 0,5-0,6 мм уравновешиваются остаточными напряжениями растяжения.

H,

ГПа

-02

-0,4

-06

Рис. 9. Остаточные напряжения в поверхностных слоях металла: С = 0,6, стальные шары, образцы из стали 45 после тонкого фрезерования (ИЯС = 40.45;

1 - щ = 160 мин-1; п3 = 14 мин-1; / = 10 мин; 2 - щ = 140 мин-1; п3 = 14 мин-1;

/ = 3 мин; 3 - щ = 140 мин-1; п3 = 28 мин-1; t =10 мин)

Для оценки изменения физико-механических свойств вязких труднообрабатываемых материалов в поверхностном слое получены экспериментальные зависимости микротвердости Нц для стали 12Х18Н10Т от времени обработки и глубины поверхностного слоя (рис. 10).

И*.

МПа

моо

3100 2800 2500

0

Рис. 10. Изменение микротвердости Н материала поверхности деталей из стали 12Х18Н10Т при различном времени обработки

0.1 0.2 0.3 0.4 h, мм

Рис. 10. Окончание

Таким образом, при ЦПОО в поверхностном слое металла формируются сжимающие остаточные напряжения, происходит некоторое увеличение микротвердости, что может служить основанием для применения рассматриваемой технологии в качестве упрочняющей на финишных стадиях технологического процесса.

Список литературы

1. А. с. 1705040 СССР, МКИЗ В24В 31/104. Способ центробежной абразивной обработки деталей и устройство для его осуществления / А. Н. Мартынов, Е. З. Зверовщиков, В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, М. Д. Афонин, Ю. В. Денисов, Ф. Г. Багринцев (СССР) ; опубл. 15.01.92, Бюл. № 2.

2. А. с. № 1627382 (СССР) М. кл. В24В 31/104. Способ обработки деталей и устройство для его осуществления / А. Н. Мартынов, В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, А. Т. Манько ; опубл. 15.02.91, Б. И. № 6.

3. Зверовщиков, В. З. Моделирование взаимодействия полимерных гранул с обрабатываемыми поверхностями деталей при центробежной объемной обработке в контейнерах с планетарным вращением / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 3 (11). - С. 162-170.

4. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский. - М. : Машиностроение, 1968. - 480 с.

5. Зверовщиков, А. Е. Многофункциональная центробежно-планетарная обработка / А. Е. Зверовщиков. - М. : Инфра-М, 2013. - 176 с.

6. Ящерицын, П. И. Чистовая обработка деталей в машиностроении / П. И. Ящерицын, А. Н. Мартынов. - Минск : Вышейш. шк., 1983. - 191 с.

References

1. Certificate of authorship 1705040 USSR, MKIZ V24V 31/104. The method of centrif-

ugal part processing and the device for its implementation. A. N. Martynov, E. Z. Zver-ovshchikov, V. Z. Zverovshchikov, A. E. Zverovshchikov, M. D. Afonin, Yu. V. Denisov, F. G. Bagrintsev (USSR); published on 15.01.92, Bul. no. 2.

2. Certificate of authorship № 1627382 (SSSR) M. kl. V24V 31/104. The method of part

processing and the device of its implementation. A. N. Martynov, V. Z. Zverovshchikov, A. E. Zverov-shchikov, A. T. Man'ko; published on 15.02.91, B. I. no. 6.

3. Zverovshchikov V. Z., Zverovshchikov A. E., Zotov E. V. Izvestiya vysshikh

uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceed-

ings. Volga region. Engineering sciences]. 2009, no. 3 (11), pp. 162-170.

4. Kragel'skiy I. V. Trenie i iznos [Friction and wear]. Moscow: Mashinostroenie, 1968, 480 p.

5. Zverovshchikov A. E. Mnogofunktsional'naya tsentrobezhno-planetarnaya obrabotka [Multifunctional three-axis centrifugal treatment]. Moscow: Infra-M, 201З, 176 p.

6. Yashcheritsyn P. I., Martynov A. N. Chistovaya obrabotka detaley v mashinostroenii [Smoothing of parts in machine building]. Minsk: Vysheysh. shk., 198З, 191 p.

Артемов Игорь Иосифович

доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе и инновационной деятельности, Пензенский государственный университет

E-mail: rektorat@pnzgu.ru

Зверовщиков Александр Евгеньевич доктор технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: azwer@mail.ru

Мартынов Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: azwer@mail.ru

Artemov Igor' Iosifovich Doctor of engineering sciences, professor, vice rector for research and innovation, Penza State University

Zverovshchikov Aleksandr Evgen'evich Doctor of engineering sciences, associate professor, sub-department of machine building technology, Penza State University

Martynov Aleksandr Nikolaevich

Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of machine building technology, Penza State University

УДК 621.924.93 Артемов, И. И.

Формирование качества поверхностных слоев деталей при изменении характеристик рабочих тел для центробежно-планетарной объемной обработки / И. И. Артемов, А. Е. Зверовщиков, А. Н. Мартынов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 4 (28). - С. 199-211.