МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Стефанович Тетяна Олександрівна

УДК 621.924

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХОНЬ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН ОБРОБЛЕННЯМ

СТРУМЕНЕМ НЕЗВ’ЯЗАНИХ ТВЕРДИХ ТІЛ

05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Стоцько Зіновій Антонович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

директор Інституту інженерної механіки та транспорту,

завідувач кафедри електронного машинобудування.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Саленко Олександр Федорович,

Кременчуцький державний політехнічний університет,

завідувач кафедри верстатів і верстатних комплексів;

кандидат технічних наук, доцент

Литвиняк Ярослав Мирославович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

доцент кафедри технології машинобудування.

Захист відбудеться 21 листопада 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, гол. корп., ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 18 жовтня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Шоловій Ю.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З розвитком виробництва в Україні і утворенням у машинобудівній галузі різнопрофільних підприємств та розширенням номенклатури виробів зросла потреба у ефективних і дешевих методах оброблення металевих виробів складної конфігурації. Частково задовольнити цю потребу можна впровадженням у виробництво методів струминного оброблення, особливо в тих ситуаціях, де інші методи або не ефективні, або їх застосування взагалі неможливе. Обґрунтоване включення в технологічні процеси виготовлення виробів, зокрема на завершальних стадіях, операції струминного оброблення дає змогу підготувати поверхні виробів до операцій полірування, нанесення покрить, зокрема гальванічних і полімерних, покращити якісні характеристики поверхонь, суттєво підвищити їх експлуатаційну стійкість. Ефективність використання струминного оброблення зростає із збільшенням розміру виробу і ускладненням його конфігурації.

Важливим фактором створення конкурентоспроможної продукції є прогнозування результатів оброблення залежно від форми оброблюваних поверхонь виробів і їх фізико-механічних властивостей та відповідний вибір технологічних режимів оброблення. Однак призначення технологічних режимів для операції струминного оброблення, особливо для криволінійних поверхонь, здебільшого ґрунтується на практичному досвіді і експериментальних даних, що не дозволяє належним чином прогнозувати показники якості поверхонь і коректно призначати технологічні режими струминного оброблення. Тому актуальним є детальне дослідження і математичний опис механізмів формування якості поверхонь виробів при струминному обробленні з подальшим розробленням технологічного забезпечення для впровадження операцій струминного оброблення у виробництво.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом наукових досліджень кафедри електронного машинобудування Національного університету “Львівська політехніка” у рамках держбюджетних науково-дослідних тем ДБ/60 “ВОВ” “Моделювання динамічних процесів і підвищення ефективності машин вібраційного оброблення виробів” (№ державної реєстрації 0104U002288, 2004-2005 роки) та ДБ “ДПВТ” “Моделювання та регулювання динамічних процесів вібраційних технологій” (№ державної реєстрації 0106U001336, 2006-2007 роки).

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є технологічне забезпечення показників якості поверхонь деталей машин при струминному обробленні незв’язаними твердими тілами на основі математичного моделювання процесу, обґрунтування і розроблення методики впровадження операцій струминного оброблення.

Для досягнення поставленої мети розв’язувались такі задачі:

· виділення технологічних факторів забезпечення якості поверхонь виробів при струминному обробленні незв’язаними твердими тілами з метою здійснення математичного моделювання процесу;

· розроблення методики математичного моделювання та побудова математичної моделі процесу струминного оброблення плоских поверхонь деталей машин з врахуванням зміни маси та швидкості робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення;

· дослідження на основі математичного моделювання впливу технологічних факторів на зміну інтенсивності оброблення поверхні і напруженого стану поверхневих шарів деталей машин;

· створення методики розрахунку показників якості поверхонь виробів на основі розробленої математичної моделі для криволінійних поверхонь деталей машин при різних кутах атаки струменя до оброблюваної поверхні;

· проведення експериментальних досліджень впливу технологічних режимів на товщину зміцненого шару, мікротвердість, розподіл залишкових напружень, ступінь зміцнення поверхонь деталей машин при струминному обробленні;

· розроблення прикладного програмного забезпечення для виконання автоматизованих розрахунків показників якості поверхонь деталей машин (товщини зміцненого шару, мікротвердості, ступеня зміцнення) залежно від технологічних режимів струминного оброблення.

Об’єкт дослідження – технологічний процес струминного оброблення поверхонь виробів незв’язаними твердими тілами.

Предмет дослідження – показники якості поверхонь виробів при струминному обробленні незв’язаними твердими тілами та їх залежність від технологічних режимів проведення процесу струминного оброблення.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтувались на застосуванні енергетичної концепції для описання процесу струминного оброблення з використанням методів математичного та графічного моделювання, алгоритмізації розв’язування інженерних задач, інтеґрального числення, базових положень аналітичної геометрії на площині та в просторі, теорії ймовірності, теорії струминних апаратів та гідравліки багатофазних потоків. Аналіз отриманої математичної моделі здійснено за допомогою прикладного програмного забезпечення, розробленого автором і реалізованого засобами математичного редактора MathCAD.

Експериментальні дослідження показників якості проводилися шляхом зняття профілограм оброблених поверхонь, а також з використанням методу дослідження мікротвердості на косих зрізах зразків та методу електронної спекл-інтерферометрії у поєднанні з методом отворів для дослідження розподілу залишкових напружень.

Наукова новизна одержаних результатів:

· здійснено теоретичні дослідження методу струминного оброблення поверхонь виробів незв’язаними твердими тілами, проведення яких необхідне для прогнозування результатів оброблення залежно від форми оброблюваних виробів, їх фізико-механічних властивостей і є основою для створення технологічного забезпечення якості поверхонь деталей машин при обробленні струменем незв’язаних твердих тіл;

· вперше одержано аналітичні залежності, які встановлюють зв’язок між товщиною зміцненого шару, мікротвердістю, ступенем зміцнення оброблюваної поверхні та параметрами обладнання, струменя, робочого середовища при струминному обробленні виробів незв’язаними твердими тілами, і на основі цих залежностей побудовано математичну модель для розрахунку параметрів якості поверхонь виробів в залежності від конкретних технологічних режимів струминного оброблення;

· вперше в математичній моделі процесу струминного оброблення враховано розподіл характеристик робочого середовища (швидкості та маси) в поперечних перерізах струменя розпилення, що дозволяє розраховувати зміну товщини зміцненого шару, мікротвердості та ступеня зміцнення оброблюваної поверхні по сліду, який залишає струмінь розпилення на оброблюваній поверхні;

· вперше запропоновано метод математичного моделювання струминного оброблення поверхонь деталей машин на основі енергетичної концепції взаємодії незв’язаних твердих тіл з оброблюваною поверхнею.

Практичне значення одержаних результатів.

Практичне значення роботи полягає у забезпеченні можливості, на основі отриманої математичної моделі, комплексно оцінювати вплив параметрів обладнання, струменя і робочого середовища на показники якості оброблених поверхонь виробів, призначати технологічні режими в залежності від необхідних якісних характеристик поверхонь в конкретних виробничих умовах та отримувати інформацію про очікуваний стан обробленої поверхні.

Практичну цінність має пакет прикладних програм для розрахунку показників якості поверхонь виробів в залежності від конкретних технологічних режимів струминного оброблення, який розроблено на підставі запропонованої математичної моделі.

Практичні рекомендації, що базуються на результатах аналітичних і експериментальних досліджень, використано на підприємстві ТзОВ “Ельво-Маркет” при розробленні технологічного процесу і виборі технологічних режимів операції струминного оброблення алюмінієвих литих деталей побутової техніки.

Особистий внесок здобувача. Результати, викладені в роботі, отримано автором особисто. В наукових працях, що написані у співавторстві, автору належить: [1] – виділення режимів струминного оброблення, що визначають мікрогеометрію і напружений стан обробленої поверхні, дослідження взаємозв’язку між ними і їх впливу на показники якості поверхонь деталей машин; [2] – запис у вигляді математичних залежностей і аналіз балансу енергій при струминному обробленні поверхонь деталей машин; [3] – розроблення і реалізація засобами MathCAD алгоритмів для обчислення розподілу мас робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення, виконання розрахунків розподілу мас робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення для конкретних режимів струминного оброблення; [4, 8] – аналіз впливу технологічних режимів струминного оброблення на розподіл мас робочого середовища і, відповідно, показники якості поверхонь деталей машин; [5] – розроблення і реалізація засобами MathCAD алгоритмів для обчислення розподілу швидкостей робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення, виконання розрахунків розподілу швидкостей робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення для конкретних режимів струминного оброблення; [6] – аналіз впливу геометрії сопла струминного апарата на параметри процесу струминного оброблення; [7] – дослідження розподілу кінетичної енергії в струмені розпилення, виконання розрахунків розподілу кінетичної енергії для конкретних технологічних режимів струминного оброблення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення наукових досліджень, що містяться в дисертації, доповідалися і обговорювались на міжнародній конференції „Системи автоматизованого проектування в машинобудуванні” (НУ "Львівська Політехніка", Львів, 3-4 червня 2004 р.), 7-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (НУ "Львівська Політехніка", Львів, 17-19 травня 2005 р.), VI міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП "Промислова гідравліка і пневматика" (НУ "Львівська політехніка", Національний лісотехнічний університет України, Львівський університет безпеки життєдіяльності, Львів, 17-18 листопада 2005 р.), на XIII міжнародній науково-технічній конференції "Машиностроение и техносфера XXI века" (Севастополь, 11-16 вересня 2006 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування” (Луцьк, 28-31 травня 2007 р.), на 10-ій Польсько-українсько-німецькій літній школі з механіки руйнування (Тжебіжовіце, 10-14 червня 2007 р.).

В повному обсязі робота доповідалась та обговорювалась на семінарах кафедри електронного машинобудування Інституту інженерної механіки та транспорту Національного університету "Львівська політехніка" у 2004-2006 р.р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи висвітлено в 8 публікаціях, із них 7 – у наукових фахових виданнях України, 1 – у тезах міжнародної науково-технічної конференції.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації – 160 сторінок, в тому числі 51 ілюстрація, 11 таблиць, 1 додаток і список використаних джерел із 110 найменувань. Обсяг основного тексту дисертації – 142 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету та задачі роботи, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі описано сутність методів струминного оброблення незв’язаними твердими тілами; наведено їх класифікацію, вказано на переваги та недоліки кожного з методів. Здійснено аналіз методів струминного оброблення і зроблено висновок, що при реалізації гідроабразивноструминного оброблення в умовах виробництва усувається ряд екологічних проблем, а саме пилоутворення, вибухо- і пожежонебезпека. Забезпечення необхідних показників якості поверхонь деталей машин здійснюється з достатньою ефективністю при відносно простій конструкції обладнання, порівняно з іншими методами струминного оброблення. Таким чином, цей метод можна рекомендувати для широкого використання на фінішних операціях технологічних процесів в промисловості.

Встановлено взаємозв’язок між технологічними режимами струминного оброблення і показниками якості оброблених поверхонь та побудовано схему, яка
відображає цей зв’язок (рис. 1). [1] Проаналізовано показники якості поверхонь

Рис. 1 Технологічні режими і показники якості поверхонь

деталей машин при струминному обробленні

виробів; для визначення показників, що залежать від технологічних режимів оброблення розглянуто механізми, за допомогою яких відбувається формування мікрорельєфу і напруженого стану на оброблюваній поверхні, і виділено визначальні: мікрорізання і поверхнево-пластичне деформування, які найсуттєвіше впливають на фізико-механічні властивості металевих поверхонь і інтенсивність зняття матеріалу. Переважання того чи іншого механізму залежить від розміщення нерухомого струминного апарата і оброблюваної поверхні. (табл. 1)

Для дослідження впливу на показники якості технологічних режимів оброблення вибрано ті показники, які характеризують результати струминного оброблення з точки зору зміни напруженого стану приповерхневих шарів деталей машин: зміна мікротвердості оброблюваної поверхні, товщина зміцненого шару, ступінь зміцнення, розподіл залишкових напружень.

Проаналізовано існуючі підходи до математичного опису процесів струминного оброблення і визначено напрямок подальших досліджень.

Таблиця 1

Схеми струминного оброблення

Вид оброблення | Значення кута атаки в | Схема оброблення | Переважаючий механізм

ковзаючим струменем | 0° |

Тертя ковзання

косим струменем | 0° < в < 90° | Мікрорізання

Поверхневе пластичне деформування

ударним струменем | 90° |

Поверхневе пластичне деформування

У другому розділі побудована математична модель процесу струминного оброблення для випадку нерухомого струминного апарата і оброблюваної поверхні при куті атаки струменя до поверхні, рівному 90°, та проведено дослідження впливу технологічних режимів струминного оброблення на показники якості оброблених поверхонь. У розрахунковій схемі (рис. 2) інструмент представлений у вигляді

Рис. 2 Схема струменя, що витікає з сопла круглого перерізу:

1 – сопло; 2 – оброблювана поверхня; 3 – струмінь;

2б – кут розкриття струменя; в – кут атаки струменя до оброблюваної поверхні; R – радіус сліду струменя на оброблюваній поверхні; L – відстань від оброблюваної поверхні до торця сопла струминного апарата

конуса робочого середовища без розривів у ньому. Незв’язані тверді тіла
змодельовано кульками з діаметром, рівним діаметру зерен основної фракції абразиву або дробу. При побудові математичної моделі розглянуто не окремі незв’язані тверді тіла, а пакети робочого середовища, які мають певну масу та швидкість і, відповідно, кінетичну енергію. Оброблювану поверхню розбито на окремі ділянки, і прийнято, що на кожну ділянку поверхні за одиницю часу потрапляє один пакет робочого середовища, який має кінетичну енергію і виконує роботу по зміні характеристик поверхні.

В основу математичної моделі процесу струминного оброблення покладено енергетичну концепцію, за якою енергія, надана робочому середовищу струминним апаратом, перетворюється в роботу по зміні форми і напруженого стану оброблюваних поверхонь, за винятком її втрат на різних етапах процесу оброблення. [2] Виходячи із загального рівняння енергетичного балансу отримано спрощене рівняння, на основі якого здійснено моделювання процесу струминного оброблення: |

(1)

де Mi,j – розподіл маси робочого середовища на оброблюваній поверхні, кг; Vi,j – розподіл швидкостей робочого середовища у поперечному перерізі струменя, який співпадає із оброблюваною поверхнею, м/с; Еоп – втрата енергії струменем на подолання сил опору повітря, Дж; Етр.с. – втрата енергії на подолання сил тертя у струмені, Дж; Апл.д. – робота, затрачена на пластичне деформування оброблюваної поверхні, Дж; Аруйн. – робота, затрачена на руйнування оброблюваної поверхні, Дж; kвтр = 0,1…0,15 – коефіцієнт втрат енергії при взаємодії незв’язаних твердих тіл із оброблюваною поверхнею. [2]

Встановлено залежність робіт руйнування та поверхневого-пластичного деформування від кута атаки в струменя до оброблюваної поверхні.

Для визначення розподілу маси робочого середовища Mi,j використано „механічну” інтерпретацію розподілу системи двох випадкових величин, як розподілу одиничної маси по площині оброблення і отримано залежність: [3] |

(2)

де Qm - продуктивність струминного апарата або витрати робочого середовища за масою, кг/с; t - тривалість оброблення, с; f (x,y) – густина розподілу маси в точці (х, у); хi, хi+1, уj, уj+1 – координати іj-тої ділянки на оброблюваній поверхні, м.

Виходячи з фізичного змісту процесу струминного оброблення та експериментальних даних [4], для струминного апарата із соплом круглого перерізу як підінтеґральну функцію прийнято нормальний закон розподілу пакетів мас робочого середовища у площині ХОУ, перпендикулярній до осі струменя: |

(3)

де ax, ay – центри розсіювання (математичні сподівання) по осях ОХ і ОУ, відповідно; х, у – середні квадратичні відхилення.

Середні квадратичні відхилення для сопла круглого перерізу визначено, керуючись правилом “трьох сігма” та виходячи із геометричних міркувань: |

(4)

де а – коефіцієнт турбулентності струменя; L – відстань від торця сопла струминного апарата до оброблюваної поверхні, м; б – кут розкриття струменя, рад. |

(5)

Встановлено аналітичну залежність, яка дозволяє визначити вплив геометричних параметрів камер струминного апарата ежекційного типу на його продуктивність (рис. 3):

Рис. 3 Схема струминного апарата: 1 – підвідний трубопровід для стиснутого повітря; 2 – жиклер; 3 – камера змішування; 4 – сопло; 5 – підвідний трубопровід для суспензії; 6 – ємність для зберігання суспензії

де м – коефіцієнт витрат робочого середовища через сопло струминного апарата; dc – діаметр сопла струминного апарата круглого перерізу, м; dж – діаметр жиклера, м; dкз – діаметр камери змішування, м; lж – довжина жиклера, м; lкз – робоча довжина камери змішування, м; pж – тиск стиснутого повітря в жиклері струминного апарата, Па; хТ – концентрація твердої фракції за масою, %; сТ – густина твердої фракції, кг/м3; сР – густина рідкої фракції, кг/м3.

Для дослідження розпо-ділу швидкостей в поперечних перерізах струменя розпилен-ня використано напівемпірину залежність (рис. 4): [5, 6] |

(6)

де V0 – швидкість струменя на виході з сопла струминного апарата, м/с; r – відстань від осі струменя до розглядуваної точки поперечного перерізу, м; R – граничний радіус струменя, тобто відстань від осі струменя до точок з нульовою швидкістю, м.

Рис. 4 Епюра розподілу швидкостей в поперечному перерізі струменя

Для визначення швидкості струменя на виході із сопла струминного апарата для сопла ежекційного типу отримано наступну аналітичну залежність: |

(7)

де сС – густина суспензії, кг/м3.

При аналізі залежностей (6) і (7) встановлено, що (6) не може бути використана для обчислення розподілу швидкостей в поперечних перерізах струменя для відстаней від сопла до оброблюваної поверхні менших 0,05 м, а зміна значень коефіцієнтів k1 і k2 веде до зміни форми епюри швидкостей, дозволяючи робити її більш ввігнутою чи випуклою, утворювати ділянки зі сталим значенням швидкостей у центральній частині епюри або на її периферії. Вона дозволяє адекватно описати розподіл швидкостей для початкової, перехідної та основної ділянок струменя.

Для виконання обчислень розподілу мас та швидкостей робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення складено алґоритм та реалізовано прикладну програму в математичному редакторі MathCAD. [3]

Обчисливши розподіл мас і швидкостей робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення, за формулою (1) знаходимо роботу, затрачену на пластичне деформування Апл.д та роботу, затрачену на руйнування оброблюваної поверхні Аруйн.. При нормальних кутах атаки струменя до оброблюваної поверхні відбувається тільки поверхневе пластичне деформування, показниками якості поверхонь для якого є зміна мікротвердості оброблюваної поверхні, товщина зміцненого шару, ступінь зміцнення.

Товщина зміцненого шару визначається за формулою: |

(8)

де Aпл.д.1 – робота, яку виконує незв’язане тверде тіло для зміцнення поверхневого шару на товщину hн, Дж; dт.т. – діаметр незв’язаного твердого тіла, м; nd3A – емпіричні коефіцієнти, які враховують мікроструктуру оброблюваного матеріалу; G -– модуль зсуву, Н/м2. Для сталі G = 81010 Н/м2.

Ступінь зміцнення: |

(9)

Мікротвердість поверхні після зміцнення: |

(10)

де Hµ0 – мікротвердість поверхні до зміцнення, Па.

В залежностях (8)-(10) роботу, яку виконує незв’язане тверде тіло по створенню зміцнення на оброблюваній поверхні, можна визначити, виходячи з роботи пластичного деформування Апл.д, яку виконує пакет робочого середовища.

Формули (8)-(10) дозволяють обчислити параметри напруженого стану на оброблюваній поверхні для нормальних кутів атаки струменя до оброблюваної поверхні. Реалізація алґоритмів для визначення розподілу мас і швидкостей робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення дозволяє отримати дискретні розподіли цих величин у вигляді матриць для кожного з пакетів робочого середовища по всій оброблюваній поверхні.

Для того, щоб забезпечити зняття матеріалу при струминному обробленні, необхідно використовувати відмінні від нормальних кути атаки струменя до оброблюваної поверхні. При усіх кутах атаки, відмінних від нормальних, струмінь залишає на оброблюваній поверхні слід у формі еліпса, що веде до необхідності врахування цього фактора у запропонованій вище математичній моделі. Слід струменя у цьому випадку вписаний в прямокутник з розмірами сторін Rx і Ry (Rx ? Ry), які визначаються з геометричних міркувань.

Оскільки при кутах атаки струменя до оброблюваної поверхні, відмінних від нормальних, відбувається руйнування оброблюваної поверхні, то для визначення інтенсивності зняття матеріалу з поверхні враховано її залежність від технологічних режимів струминного оброблення, встановлену Проволоцьким О.Є.: |

(11)

де мp – коефіцієнт Пуассона; для сталей мp = 0,28; E – модуль пружності, Па; для сталей E = 20,61010 Па.

Методика моделювання процесів струминного оброблення для плоских поверхонь при кутах атаки струменя, відмінних від нормального, може бути використана при переході до моделювання процесів струминного оброблення криволінійних поверхонь.

Для технологічних режимів струминного оброблення, наведених у таблиці 2, виконано розрахунок показників якості для плоскої поверхні і нормального кута атаки струменя до неї.

Таблиця 2

Вихідні дані для розрахунку показників якості оброблених поверхонь

Тривалість оброблення, с | 30

Параметри струминного апарата

Довжина камери жиклера, м | 0,090

Діаметр жиклера, м | 0,006

Робоча довжина камери змішування, м | 0,065

Діаметр камери змішування, м | 0,035

Діаметр сопла, м | 0,010

Діаметр підвідного трубопроводу для суспензії, м | 0,016

Коефіцієнт витрат для сопла | 0,062

Коефіцієнт витрат для жиклера | 0,062

Коефіцієнт витрат для підвідного трубопроводу для суспензії | 0,062

Тиск газу в жиклері, Па | 500000

Параметри струменя

Відстань від торця струменя до оброблюваної поверхні, м | 0,010

Кут атаки струменя до оброблюваної поверхні | 90°

Параметри робочого середовища

Матеріал твердої фракції | пісок

Густина матеріалу твердої фракції, кг/м3 | 2400

Діаметр незв’язаних твердих тіл для основної фракції

матеріалу, м | 0,1510-3

Матеріал рідкої фракції | вода

Густина матеріалу рідкої фракції, кг/м3 | 1000

Кількість твердої фракції за масою в складі суспензії, % | 37,5

Густина повітря, кг/м3 | 1,29

Температура робочого середовища при обробленні | const

Параметри оброблюваної поверхні

Матеріал | Сталь 30 ГОСТ 1050-88

Межа текучості матеріалу при розтягу, МПа | 300

Модуль пружності, Н/м2 | 20,61010

Модуль зсуву, Н/м2 | 81010

Коефіцієнт Пуассона | 0,28

Вихідна мікротвердість оброблюваної поверхні, МПа | 800

Результати розрахунків показані на рис. 5. Для цього випадку максимальна мікротвердість після оброблення Нµ = 845,865 МПа при початковій твердості Нµ0 = 800 МПа; максимальний ступінь зміцнення е = 5,733%, максимально можлива
різниця рівнів між струминним апаратом і баком для зберігання суспензії становить 1,431 м.

а) | б)

в)

Рис. 5 Розподіл значень показників якісних параметрів поверхні в результаті струминного оброблення: а) товщина зміцненого шару hн,

б) зміна мікротвердості Д Hм, в) ступінь зміцнення е.

Аналіз розподілів показників якості на оброблюваній поверхні для різних режимів струминного оброблення, дає наступні висновки. При збільшенні відстані від торця сопла струминного апарата до оброблюваної поверхні, діаметра сопла і кута розкриття струменя середнє квадратичне відхилення, яке визначає форму графіків розподілу значень показників якісних параметрів поверхні, збільшується, тобто криві розподілу стають більш плоскими, що веде до покращення рівномірності оброблення з одночасним зниженням її інтенсивності. При збільшенні розрідження в камері змішування струминного апарата і коефіцієнта витрат робочого середовища, які залежать від геометричних параметрів камери змішування і сопла, кінетична енергія струменя, і відповідно інтенсивність оброблення зростають, однак зростає і нерівномірність оброблення.

Розроблена методика моделювання може бути використана для визначення ступеня рівномірності струминного оброблення поверхонь виробів при заданому русі струминного апарата.

В третьому розділі дисертації обґрунтовано розрахунок параметрів якості при струминному обробленні криволінійних поверхонь виробів.

В основу математичних моделей оброблення криволінійних поверхонь покладено математичну модель процесу струминного оброблення для нерухомого струминного апарата і нормального кута атаки струменя до оброблюваної поверхні. Алгоритм побудови моделей здійснюється в такій послідовності:

1. Обчислення витрати робочого середовища за масою Qm через сопло струминного апарата за методикою, наведеною у [3].

2. Визначення радіуса сліду струменя R на оброблюваній поверхні.

3. Розбиття сліду струменя на оброблюваній поверхні на окремі ділянки із заданням кількості ділянок по осях ОХ і ОУ та введенням лічильників циклу і та j.

4. Обчислення кроку розбиття сліду струменя, розмірів ділянок та координат точок перетину їх діагоналей.

5. Знаходження відстаней Li,j кожної ділянки від торця сопла струминного апарата.

6. Знаходження кутів атаки вi,j струменя для кожної ділянки оброблюваної поверхні.

7. Обчислення середнього квадратичного відхилення для розподілу мас робочого середовища на кожній ділянці уi,j.

8. Обчислення розподілу мас робочого середовища для кожної ділянки Mi,j.

9. Обчислення розподілу швидкостей Vi,j робочого середовища для кожної ділянки.

10. Знаходження розподілу кінетичної енергії робочого середовища Ei,j.

11. Знаходження співвідношення між роботами, затраченими на поверхневе пластичне деформування і на руйнування поверхні залежно від кута атаки струменя для кожної ділянки оброблюваної поверхні.

12. Обчислення товщини зміцненого шару hн, зміни мікротвердості ДНµ, ступеня зміцнення е і інтенсивності зняття матеріалу hр для кожної з ділянок.

Вказано на особливості побудови математичних моделей для криволінійних поверхонь різної форми: сферичних, циліндричних, параболічних.

В четвертому розділі виконано експериментальні дослідження процесів струминного оброблення на прикладі гідроабразивноструминного оброблення. Для перевірки коректності математичної моделі було оброблено плоскі шліфовані пластини квадратної форми 150Ч150 мм і товщиною 3,5 мм. Після проведення оброблення на кожному з розмічених квадратів з регулярністю 10 мм відбувалося вимірювання шорсткості, мікротвердості, товщини зміцненого шару. Шорсткість вимірювали на профілометрі 201 при горизонтальному збільшенні – 20, вертикальному збільшенні – 2000. Визначення товщини зміцненого шару, ступеня зміцнення та мікротвердості відбувалося вимірюванням на косих зрізах в досліджуваних квадратах пластин. Після розрізання пластини косі зрізи було отримано притиранням на чавунній плиті за допомогою приспосіблення, яке забезпечує його отримання під заданим кутом. Мікротвердість вимірювалася на приладі ПМТ-3 при навантаженнях 0,2...1 Н і збільшенні, рівному 487. Кут зрізу знаходився в межах 1°30ґ...3°. Товщину зміцненого шару обчислювали за відомою залежністю в залежності від відстані між точкою вимірювання мікротвердості і початком косого зрізу та значення кута зрізу.

Ступінь зміцнення визначався за відомою формулою в залежності від зміни твердості оброблюваної поверхні.

Результати дослідження приведені на рис. 6. Розходження експериментальних значень із теоретичними не перевищує 19%. Тобто, для таких режимів модель адекватно описує реальний процес струминного оброблення.

а) | б)

Рис. 6 Розподіл товщини зміцненого шару hн і мікротвердості ДНµ по сліду,

який залишає струмінь на оброблюваній поверхні:

1 – теоретичні значення; 2 – експериментальні значення.

Дослідження залишкових напружень методом лазерної спекл-інтерферометрії дозволило отримати їх розподіл по сліду, який залишає гідроабразивний струмінь на оброблюваній поверхні (рис. 7).

а) | б)

Рис. 7 Розподіл залишкових напружень по сліду, який залишає струмінь на оброблюваній поверхні: 1 – напруження ухх; 2 – напруження ууу:

а) – для тривалості оброблення 10 хв.; б) – для тривалості оброблення 20 хв.

Максимальні значення напружень зафіксовані в центрі пластини і рівні ухх = – 11,82 МПа; ууу = – 35,43 МПа для тривалості оброблення t = 10 хв.; ухх = – 31,81 МПа; ууу = – 46,49 МПа для тривалості оброблення t = 20 хв. при режимах оброблення, вказаних в табл. 2. Похибка вимірювань складає 6% від границі текучості матеріалу, тобто ± 15 МПа.

При впровадженні об’єктом дослідження було вибрано технологічний процес виготовлення литих алюмінієвих деталей побутової техніки на ТзОВ “Ельво-Маркет”. В результаті заміни операції підводного гідрополірування операцією гідроабразивноструминного оброблення суттєво покращився товарний вигляд деталей, що сприяє підвищенню конкурентоздатності побутової техніки ТзОВ “Ельво-Маркет” на ринку. Рекомендоване обладнання для виконання планової річної програми випуску деталей – механізована десятипозиційна гідроабразивноструминна установка з чотирма струминними апаратами. Термін окупності нового обладнання – 4,26 року.

ВИСНОВКИ

1. Виконано теоретичне узагальнення і розв’язано наукову задачу технологічного забезпечення якості поверхонь виробів при струминному обробленні незв’язаними твердими тілами, що дає можливість впроваджувати операцію струминного оброблення у технологічний процес як альтернативну операцію фінішного механічного оброблення, яка забезпечує високі показники якості поверхонь виробів, зокрема шорсткість, товщину зміцненого шару, ступінь зміцнення, мікротвердість, розподіл залишкових напружень. Ефективність її впровадження особливо зростає при обробленні фасонних поверхонь, а також при дотриманні оптимальних технологічних режимів оброблення.

2. Енергія, надана робочому середовищу струминним апаратом, перетворюється в роботу по зміні шорсткості і напруженого стану оброблюваних поверхонь, за винятком її втрат на різних етапах процесу оброблення. Співвідношення між величинами робіт, затрачених на руйнування і на поверхнево-пластичне деформування оброблюваної поверхні, залежить від переважаючого механізму формування мікрорельєфу і напруженого стану на оброблюваній поверхні і визначається кутом атаки струменя до оброблюваної поверхні. Встановлено залежність між кінетичною енергією робочого середовища і роботою, яку необхідно затратити для досягнення бажаних показників якості оброблюваної поверхні, що є базовим положенням при моделюванні процесу струминного оброблення.

3. Створена математична модель процесу струминного оброблення для нерухомого струминного апарата при нормальних кутах атаки струменя до оброблюваної поверхні описує взаємозв’язок між технологічними режимами процесу струминного оброблення і показниками якості, отриманими в результаті оброблення: товщиною зміцненого шару hн, зміною мікротвердості оброблюваної поверхні ДНµ та ступенем зміцнення е. Для спрощення і пришвидшення розрахунків складено пакет прикладних програм, на основі якого можна досліджувати вплив технологічних режимів струминного оброблення на показники якості оброблених поверхонь.

4. Шляхом моделювання на основі створеної математичної моделі встановлено: для типових режимів, які використовуються у промисловості, при тривалості оброблення t = 30 c, для матеріалу – сталь 30 ГОСТ 1050-88, максимальна товщина зміцненого шару в центральній частині сліду струменя hн = 0,129 мм; максимальна мікротвердість після оброблення Нµ = 845,865 МПа при початковій твердості Нµ0 = 800 МПа; максимальний степінь зміцнення е = 5,733%.

5. Враховано, що при струминному обробленні криволінійних поверхонь такі параметри процесу, як відстань від торця сопла струминного апарата до ділянок сліду струменя на оброблюваній поверхні Lij, радіус сліду струменя Rij та середнє квадратичне відхилення уi,j для кожного з пакетів робочого середовища, кут атаки струменя до кожної з ділянок розбиття оброблюваної поверхні вi,j є змінними, що приводить до зміни розподілу мас і швидкостей робочого середовища, а, відповідно, і показників якості.

6. В результаті експериментальних досліджень процесу гідроабразив-ноструминного оброблення встановлено, що інтенсивність струминного оброблення для нерухомого струминного апарата і нормального кута атаки струменя до оброблюваної поверхні зменшується від центра струменя до його периферії. Для діаметрів сопел dc = 0,006 м; 0,008 м; 0,010 м; 0,012 м та діаметрів жиклерів dж = 0,006 м; 0,008 м; 0,010 м; 0,012 м встановлено, що похибка між теоретичними розрахунками та результатами експерименту для товщини зміцненого шару hн не перевищує 19%, для зміни мікротвердості оброблюваної поверхні ДHµ максимальна похибка знаходиться в межах 14%. При дослідженні розподілу залишкових напружень експериментально підтверджено, що гідроабразивноструминне оброблення формує в приповерхневих шарах стальних деталей зону із переважаючими напруженнями стиску, які мають значення до 50 МПа, і усуває напруження розтягу, отримані на попередніх операціях, що підвищує тріщиностійкість і втомлювану міцність деталей машин.

7. Показано, що впровадження операції гідроабразивноструминного оброблення у виробництво корпусних алюмінієвих деталей побутових виробів суттєво покращило їх товарний вигляд і конкурентоспроможність. При режимах оброблення: t = 15 хв., L = 300 мм, dc = 10 мм, dж = 6 мм, lзм = 65 мм, р = 0,5 МПа, б = 70°...90° і складі робочого середовища: електрокорунд, сорт R, зернистість 80-100 ГОСТ 3742-71 – 400 г/л; нітрид натрію, ГОСТ 19906-77 – 10 г/л; кальцинована сода, ГОСТ 10688-79 – 15 г/л, на алюмінієвих литих деталях забезпечується рівномірна матова поверхня із шорсткістю Ra = 1,25 мкм.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Загальні аспекти технології обробки поверхонь струменем незв’язаних твердих тіл // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. – 2004. – № 515. – С. 95-100.

2. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Енергетична концепція процесу струменевої обробки поверхонь незв’язаними твердими тілами // Український міжвідомчий науково-технічний збірник: Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. – 2005. – № 39. – С. 99-104.

3. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Математична модель розподілу маси речовини в струмені розпилення при струменевій обробці поверхонь незв’язаними твердими тілами // Вісник Національного університету "Львівська політехніка": Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. – 2005. – № 535. – С. 39-44.

4. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Моделювання процесу струминної обробки поверхонь незв’язаними твердими тілами // Всеукраїнський щомісячний науково-технічний і виробничий журнал: Машинознавство. – 2005. – № 6. – С. 31-34.

5. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Побудова і дослідження розподілу швидкостей робочого середовища при струминній обробці поверхонь виробів // Міжнародний збірник наукових праць: Прогресивні технології і системи машинобудування. – 2006. – № 32. – С. 212-220.

6. Стефанович Т.О., Стоцько З.А. Вплив геометрії сопла на параметри процесу струменевої обробки поверхонь виробів // Всеукраїнський науково-технічний журнал: Промислова гідравліка і пневматика. – 2006. – № 4(14). – С. 48-51.

7. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Дослідження розподілу кінетичної енергії робочого середовища при струминному обробленні деталей машин // Міжвузівський збірник (за напрямом “Інженерна механіка”) “Наукові нотатки”. – 2007. – випуск 20. – С. 482-485.

8. Стоцько З.А., Стефанович Т.О. Моделювання процесу струменевого оброблення поверхонь незв’язаними твердими тілами // Тези доповідей 7-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів, 2005. – С. 92.

АНОТАЦІЯ

Стефанович Т.О. Технологічне забезпечення якості поверхонь деталей машин обробленням струменем незв’язаних твердих тіл. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний університет “Львівська політехніка”. – Львів, 2007.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню, на основі математичного моделювання, процесів струминного оброблення деталей машин незв’язаними твердими тілами, з метою встановлення впливу технологічних режимів струминного оброблення на показники якості оброблених поверхонь: товщину зміцненого шару, зміну мікротвердості, ступінь зміцнення. Проведено аналіз і класифікацію існуючих методів струминного оброблення. На основі енергетичної концепції розроблено метод математичного моделювання процесів струминного оброблення. Для гідроабразивноструминного оброблення одержано математичну модель, яка дозволяє розрахувати показники якості поверхонь виробів в залежності від конкретних технологічних режимів струминного оброблення і з врахуванням розподілу характеристик робочого середовища (швидкості та маси) в поперечних перерізах струменя розпилення. Експериментальні результати підтвердили адекватність отриманої моделі реальному процесу гідроабразивноструминного оброблення. На підставі запропонованої математичної моделі розроблено пакет прикладних програм для автоматизації розрахунків показників якості.

Ключові слова: струминне оброблення незв’язаними твердими тілами, технологічне забезпечення якості поверхонь, технологічні режими оброблення, математична модель, розподіл робочого середовища в поперечних перерізах струменя розпилення.

АННОТАЦИЯ

Стефанович Т.О. Технологическое обеспечение качества поверхностей деталей машин обработкой струей несвязанных твердых тел. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Национальный университет “Львовская политехника”. – Львов, 2007.

Диссертационная работа посвящена изучению проблем обеспечения качества поверхностей изделий при струйной обработке. Проведен анализ и классификация существующих методов струйной обработки. В качестве метода, который подлежит исследованию, выделен метод гидроабразивной обработки, как наиболее универсальный для промышленного использования. Выделены и классифицированы технологические режимы для гидроабразивной обработки и установлено их влияние на изменение формы обрабатываемой поверхности и ее напряженное состояние. Предложено исследовать влияние технологических режимов струйной обработки на показатели качества обработанных поверхностей путем математического моделирования процесса. При математическом моделировании предложено использовать энергетическую концепцию, аналитическая зависимость для которой приведена в работе.

Используя аппарат теории вероятности и интегрального исчисления, разработана математическая модель для процесса гидроабразивной обработки для случая неподвижного струйного аппарата и обрабатываемой поверхности и нормального угла атаки струи к обрабатываемой поверхности. Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать показатели качества обработанной поверхности: толщину упрочненного слоя материала, изменения микротвердости поверхности, степень наклепа в зависимости от конкретных технологических режимов струйной обработки. В математической модели процесса струйной обработки учтено распределение характеристик рабочей среды (скорости и массы) в поперечных сечениях струи, что позволяет рассчитать комплексное изменение показателей качества обрабатываемой поверхности по следу, который оставляет гидроабразивная струя на поверхности в результате обработки.

В работе получена аналитическия зависимость, которая позволяет определить влияние геометрических параметров рабочих камер струйного аппарата эжекционного типа на интенсивность струйной обработки с целью определения рациональных значений этих параметров и технологических режимов обработки, а также для обеспечения максимальной интенсивности обработки изделий.

На основании полученной математической модели разработан пакет прикладного программного обеспечения для автоматизации расчетов показателей качества обработанных поверхностей. Выполнены расчеты и приведены результаты распределения показателей качества на обрабатываемых поверхностях для разных технологических режимов струйной обработки. Исследовано влияние параметров оборудования, струи, рабочей среды на изменение толщины упрочненного слоя материала, микротвердости, степени наклепа на обрабатываемой поверхности.

Проведен ряд экспериментальных исследований на базе гидроабразивноструйной машины с двумя струйными аппаратами эжекционного типа. Исследования подтвердили адекватность рассчитанных на основании полученой математической модели показателей качества поверхностей деталей машин: толщины упрочненного слоя материала, изменения микротвердости поверхности, степени наклепа, экспериментально полученным их значениям при заданых технологических режимах струйной обработки по всей обрабатываемой поверхности.

Основные результаты работы нашли промышленное применение в технологическом процессе изготовления алюминиевых литых корпусов бытовой техники для подбора оптимальных режимов на операции гидроабразивноструйной обработки с целью