Глава 3. МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ
МНОГОКОНТАКТНЫМ ВИБРОУДАРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
3.1 Механизм формирования поверхностного слоя
при виброударной обработке
3.1.1 Исследование условий образования
и геометрических характеристик пластических отпечатков
Одной из задач, решаемых в процессе ВиУО, является создание на поверхности определенного микрорельефа и упрочненного слоя. При этом исходный микрорельеф может полностью или частично измениться в зависимости от условий обработки.
Формирование поверхностного слоя при ВиУО характеризуется последовательным нанесением пластических отпечатков (элементарных следов обработки), являющихся следствием контактного взаимодействия рабочих элементов инструмента с обрабатываемой поверхностью. В этой связи представляет интерес всесторонний анализ условий образования следов обработки и их геометрических характеристик.
Исследование механизма формирования поверхностного слоя строится на рассмотрении особенностей взаимодействия деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, изучении формы, размеров и количества образующихся следов обработки, результатов их последовательного распределения. Особая роль при этом отводится исследованию единичных следов обработки (пластических отпечатков). Система таких отпечатков и формирует микрорельеф поверхности (шероховатость). Условия образования пластических отпечатков зависят от ряда факторов, основными из которых являются:
энергетические характеристики рабочих тел;
угол соударения рабочего тела с поверхностью детали;
физико-механические свойства материала детали и рабочего тела;
жесткость детали и рабочего тела;
геометрическая форма и размеры рабочего тела и обрабатываемой поверхности;
жесткость-гибкость кинематической связи «рабочее тело - привод».и далее.
3.1.2. Распределение пластических отпечатков
на обрабатываемой поверхности
Динамические методы обработки ППД характеризуются ударным воздействием рабочих тел (инденторов), как правило, сферической формы на обрабатываемую поверхность и формируют характерный микрорельеф. Такой микрорельеф представляет собой систему многократно образующихся (перекрывающихся) отпечатков сферической (или близкой к ней) формы. Возникает он в том случае, когда глубина пластического отпечатка сравнима или превосходит высоту исходных микронеровностей.
Виброударная обработка основана на низкочастотных колебаниях и характеризуется многократным соударением рабочих тел с поверхностью детали. За один цикл колебаний на обрабатываемую поверхность воздействует n рабочих тел, при этом они распределяются по ней определенным образом. Этот порядок можно характеризовать единичной упаковкой, под которой понимают простейшую многократно повторяющуюся в распределении рабочих тел геометрическую фигуру, получающуюся соединением прямыми линиями центров соседних рабочих тел.
При обработке ШСУ расположение рабочих тел строго детерминированно. При виброударной обработке несвязанными частицами рабочей среды (рабочих тел) они могут укладываться так, что их центры образуют треугольник (наиболее плотная упаковка), квадрат, пяти- и шестиугольник (рис.3.4,а,б,в,г). Вероятность появления единичных упаковок в виде геометрических фигур с различным количеством сторон уменьшается с увеличением последних. и далее...
3.2. Формирование микрорельефа поверхности
3.2.1. Шероховатость поверхности
В процессе виброударной обработки многоконтактным инструментом глубина внедрения частиц рабочей среды в поверхность детали почти всегда соизмерима с высотой ее микронеровностей (шероховатостью). Поэтому при описании микрорельефа поверхности, получаемого после обработки, нельзя не учитывать его исходные параметры: и далее...
3.2.2. Образование регулярных микрорельефов (РМР).
Характеристика и классификация методов образования РМР
Одним из направлений в области обеспечения качества поверхности является создание методов обработки, обеспечивающих возможность образования поверхностей деталей с регулярным, управляемым и с достаточной степенью точности воспроизводимым, аналитически рассчитываемым микрорельефом. Работы в этом направлении ведутся в ряде стран. В нашей стране широко известны работы в этой области Ю.Г.Шнейдера и его учеников, разработан и введен в действие ГОСТ 24773-81 «Поверхности с регулярным микрорельефом», в котором дана классификация регулярных микрорельефов.
РМР подразделяются на два класса.
1. Микрорельефы с элементами вогнутой формы.
2. Микрорельефы с элементами выпуклой формы.
В свою очередь, классы делятся на группы и виды:
- частично регулярные микрорельефы (ЧРМР) – системы канавок:
- не касающиеся (рис.3.14,б,в);
- касающиеся (рис.3,14,г);
- пересекающиеся (рис.3.14,д);
- шахматно-расположенные отдельные отпечатки (рис.3.14,а);
- кольцевые канавки (рис.3.14,з);
- полностью регулярные микрорельефы (ПРМР):
- сетчатые шестиугольного типа (рис.3.14,е);
- сетчатые четырехугольного типа (рис.3.14,ж);
- синусоидальные.и далее...
3.2.3. Формирование регулярных микрорельефов
многоконтактным виброударным инструментом
Конструкция многоконтактного инструмента позволяет за каждый динамический контакт с обрабатываемой деталью получать идентичное распределение пластических отпечатков на ее поверхности. Однородное кинематическое взаимосвязанное перемещение (линейное перемещение, вращение, осцилляция) системы инденторов относительно детали или наоборот смещает систему отпечатков единичного воздействия на некоторый шаг и формирует на обрабатываемой поверхности систему пластических отпечатков (СПО). Последняя характеризуется постоянным распределением их центров на всем участке обрабатываемой поверхности (рис.3.19). Получаемая при этом система отпечатков и образуемый ею микрорельеф могут быть одинаково распределенными на любом участке поверхности, т.е. регулярными. В этом случае параметры микрорельефа повторяются с определенным шагом. Формируемый таким образом микрорельеф однозначно определяется и задается во всей обрабатываемой зоне пространственным распределением инденторов и кинематикой относительного перемещения инструмента и детали.
При обработке многоинденторными системами (МИС) можно обеспечить достаточно широкий диапазон пластических контактов: как симметричную или ассиметричную канавку, так и регулярный пластический след. Площадки контакта могут быть пересекающимися или непересекающимися, интенсивность перекрытия площадок контакта может изменяться в широких пределах. Смещение площадок контакта может быть как регулярным односторонним, так и регулярно двусторонним.
Параметры будущего микрорельефа закладываются в распределении системы инденторов инструмента и мало зависят от погрешности кинематики движения. Большое число одновременно работающих инденторов при достаточно высокой частоте генерации ударных импульсов предопределяет возможность значительного увеличения производительности формирования РМР.
Большим достоинством многоинденторных систем является возможность нанесения РМР на поверхности практически любой формы и размеров. Гибкая связь между источником ударных импульсов и рабочими инденторами, осуществляемая через уплотненную среду стальных шаров, позволяет обрабатывать поверхности переменного радиуса кривизны без подналадки инструмента.
Многоинденторные системы позволяют наносить на поверхности деталей РМР как в виде канавок, так и в виде ячеистых микрорельефов с произвольной формой и ориентацией лунок (круглые, элипсовидные, многогранные), которые определяются в основном геометрией рабочей части инденторов. Направление некруглых лунок может быть связано с макрогеометрией обрабатываемой детали. и далее...
3.3. Микротвердость и остаточные напряжения
3.3.1. Влияние параметров процесса
на изменение микротвердости
В процессе виброударной обработки происходит упрочнение поверхностного слоя, которое является результатом увеличения микротвердости, создания сжимающих остаточных напряжений и формирования благоприятного микропрофиля (шероховатости) поверхности. Эти параметры оказывают большое влияние на такие эксплуатационные характеристики, как усталостная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и др. В результате выполненных исследований микротвердости получены уравнения для определения глубины наклепа поверхностного слоя в условиях виброударной обработки с учетом шероховатости поверхности [77]:и далее...
3.3.2. Характер изменения остаточных напряжений
Процесс многоконтактной виброударной обработки сопровождается пластической деформацией поверхностного слоя, предопределяющей изменение его физико-механических и геометрических параметров, в том числе остаточных напряжений. Несмотря на различие конструктивно-технологических схем, основой процесса является многократное соударение рабочих элементов виброударного инструмента с обрабатываемой поверхностью, последовательное образование и совмещение следов обработки (пластических отпечатков), приводящее в конечном итоге к формированию нового поверхностного слоя. Упомянутые схемы обработки отличаются лишь уровнем энергетического воздействия, что определяет интенсивность протекания процесса во времени. В этой связи представляет интерес рассмотрение характера изменения остаточных напряжений на примере таких схем виброударного нагружения, как обработка в вибрирующей среде и обработка шарико-стержневым упрочнителем (СШУ).и далее...