Влияние процесса виброударного упрочнения на деформации крупногабаритных деталей

Актуальность темы

диссертации. В машиностроении, в частности авиационной промышленности, для упрочняющей обработки крупногабаритных деталей типа балок, лонжеронов, стыковых профилей нервюр крыла и др., работающих при ограничениях массы и интенсивных динамических нагрузках, используются технологии виброударного упрочнения деталей с закреплением. Отсутствие кинематической связи инструментальной среды, состоящей из множества интенсивно вибрирующих частиц, с деталью и установкой дает возможность упрочнять детали произвольно сложной формы, однако обуславливает неравномерное формирование остаточных напряжений, что вызывает деформации крупногабаритных деталей. Неравномерное формирование среднеарифметической высоты микронеровностей и других параметров качества поверхностного слоя снижает различные эксплуатационные показатели деталей.

В этой связи, помимо осредненных значений параметров качества поверхностного слоя, необходимо знание закономерностей их распределения на любых участках детали и точных координат расположения локальных недостаточно упрочненных участков, с учетом конструктивных особенностей деталей, на этапе проектирования технологий. Решение этой задачи при экспериментальной отработке технологии вызывает большие затраты средств и времени, возникновение брака дорогостоящих деталей.

Актуальной задачей, решаемой в диссертационной работе посредством математического моделирования и экспериментов, является изучение влияния режимов виброударного упрочнения на конечном множестве участков деталей на равномерность формирования параметров качества поверхностного слоя и возникновение деформаций, выявление проблемных локальных участков с недостаточной интенсивностью упрочнения, определение режимов, повышающих качество обработки, с учетом свойств инструментальной среды, размеров и конструктивных особенностей деталей.

Суть метода теоретического определения формируемых в процессе виброударной обработки параметров качества поверхностного слоя, выявления недостаточно упрочненных участков детали и деформаций состоит в следующем. Создается трехмерная размерная модель детали, контейнера и инструментальной средыделаются поперечные сечения в плоскости, совпадающей с траекторией колебаний, и продольные сечения, контуры которых разбиваются на отрезки. В поперечных сечениях, при определенных начальных условиях, выполняется моделирование процесса виброударного упрочнения с учетом свойств инструментальной среды в окрестности отрезков, для каждого из которых определяются технологические параметры. По третьей координате технологические параметры вычисляются посредством выборки информации для отрезков поперечных сечений, расположенных в соответствующих продольных сечениях методом интерполяции сплайнами. Зная длину отрезков, расположенных по двум координатам в поперечных сечениях, и шаг интерполяции по третьей координате в продольных сечениях, переходим к участкам, для которых вычисляются технологические параметры и координаты их трехмерного расположения.

Работа выполнена в соответствии с ГБ НИР № 2004.15 «Исследование процессов и средств технологического оснащения прогрессивных технологий» и основными научными направлениями ВГТУ «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракето-космической технике» .

Целью работы является повышение качества поверхностного слоя и снижение деформаций крупногабаритных деталей за счет режимов виброударного упрочнения, определенных на основе метода трехмерной оценки деформаций и равномерность высотных параметров микронеровностей и остаточных напряжений, с выявлением локальных труднообрабатываемых участков, с учетом формы, размеров и конструктивных особенностей деталей при виброударном упрочнении с закреплением.

Задачи, которые необходимо решить для достижения цели: 1. Разработать теоретический метод трехмерного определения параметров качества поверхностного слоя для конечного множества элементарных участков детали, выявления проблемных недостаточно упрочненных участков и координат их расположения, определения режимов, повышающих качество упрочнения, с учетом свойств инструментальной среды, размеров и конструктивных особенностей деталей.

2. Теоретически исследовать и установить зависимости динамических параметров процесса виброударного упрочнения от амплитуды колебаний, свойств инструментальной среды, положения силовых экранов, базирования детали и ее конструктивных особенностей и их влияние на равномерность формирования параметров качества детали.

3. Установить взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя с расположением и закреплением детали в контейнере, закономерности возникновения неравномерностей остаточных напряжений в зависимости от амплитуды колебаний и диаметров шариков инструментальной среды, закономерности распределения проблемных участков по поверхности детали в зависимости от режимов обработки.

4. Определить режимы виброударного упрочнения, обеспечивающие достижение требуемых параметров качества поверхностного слоя и снижение деформаций крупногабаритных деталей сложной формы.

5. Экспериментально проверить достоверность метода теоретического определения трехмерного формирования параметров качества поверхностного слоя и снижения деформаций крупногабаритных деталей, разработать технологические рекомендации.

Методы исследования. Использовались теоретические основы технологии машиностроения и поверхностно-пластического упрочнения. В связи с многофакторным влиянием режимов на формирование остаточных напряжений и шероховатости, большим объемом вычислений, оценка равномерности формирования технологических параметров и деформаций осуществляется за счет математического моделирования и экспериментов.

На защиту выносятся.

1. Разработанный теоретический метод трехмерного определения неравномерности формирования параметров качества виброударного упрочнения поверхностей крупногабаритных деталей сложной формы.

2. Установленные зависимости динамики процесса виброударного упрочнения от амплитуды колебаний, свойств инструментальной среды, положения силовых экранов, базирования детали и ее конструктивных особенностей, и их влияние на равномерность формирования параметров качества детали и деформации.

3. Результаты математического моделирования процесса виброударного упрочнения детали типа стыковой профиль с учетом параметров установки, инструментальной среды, формы, размеров и конструктивных особенностей детали и экранов-вставок, используемых для выравнивания скорости циркуляции и периодических соударений инструментальной среды с участками детали, которые обеспечивают требуемое качество.

4. Созданный на основе результатов моделирования алгоритм разработки технологии виброударного упрочнения крупногабаритных деталей сложной формы посредством учета выявленных закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающий достижение номинальных параметров качества и снижение деформаций.

5. Результаты экспериментальной проверки теоретических результатов, положенных в основу алгоритма разработки технологии виброударного упрочнения, который обеспечивает снижение деформаций детали до допустимого уровня при заданных значениях параметров шероховатости и остаточных напряженийтехнологические рекомендации.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработан теоретический метод трехмерного определения неравномерности формирования параметров качества поверхностного слоя и деформаций при виброударном упрочнении деталей сложной формы для конечного множества ее локальных участков, с указанием координат расположения недостаточно упрочненных проблемных участков, технологических параметров и способов повышения равномерности упрочнения.

2. Применение дискретно-множественной модели инструментальной среды позволяет применять теоретический метод без экспериментального определения ее динамических свойств, которые в разработанном методе вычисляются через динамические зазоры, скоростные и фазовые параметры моделирования, что позволяет использовать его для любых деталей.

3. Установлено, что наибольшее влияние на равномерность формирования параметров качества поверхностного слоя и деформации крупногабаритных деталей оказывает циркуляция инструментальной среды и удельная плотность кинетической энергии соударений частиц инструментальной среды между собой и с участками детали.

4. Установлены закономерности влияния режимов работы установки, свойств инструментальной среды, положения силовых экранов, базирования детали и ее конструктивных особенностей на равномерность формирования параметров качества детали и возникновение деформаций при виброударном упрочнении:

— при увеличении амплитуды колебаний на 50% остаточные напряжения повышаются на 20−30%, погрешность увеличивается с 40−55% до 70%;

— рост диаметров шариков на 50% увеличивает остаточные напряжения на 50−56% при постоянной погрешности;

— изменение положения детали в инструментальной среде изменяет остаточные напряжения на 15−20% при постоянной погрешности;

— пассивные экраны повышают равномерность остаточных напряжений на 7−12%), активные экраны — на 25−30%), дополнительные колебания детали в направлении проблемных участков — на 40−50% и более.

Практическая значимость:

1. Создан алгоритм разработки технологии виброударного упрочнения крупногабаритных деталей типа стыкового профиля посредством математического моделирования с учетом выявленных закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающий достижение номинальных параметров качества и снижение деформаций.

2. Разработаны технологические рекомендации для промышленной реализации технологии виброударного упрочнения крупногабаритных деталей типа стыковой профиль крыла.

3. Определены более эффективные режимы виброударного упрочнения, повышающие равномерность упрочнения и снижающие деформации крупногабаритных деталей, что позволяет повысить на этой основе усталостную прочность и долговечность, снизить массу изделий.

4. Предложенная методика использования математического моделирования уменьшает затраты и время на определение режимов и параметров оборудования при экспериментальной отработке технологий виброударного упрочнения, что подтверждается применением результатов исследований в произволственном эксперименте по виброударному упрочнению полноразмерной крупногабаритной стыковой нервюры.

Реализация результатов. Результаты работы применены в производственном эксперименте в авиационном производстве при виброударном упрочнении полноразмерного макета стыковой нервюры крыла Ил-96. Материалы диссертации применяются в учебном процессе ВГТУ по курсу «Технология машиностроения», дипломном и курсовом проектировании.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: Международной научно-технической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» — «Технология -2004» (Орел, 2004) — VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004) — III Международной научно-технической конференции «Разработка, производство и эксплуатация турбо-электронасосных агрегатов и систем на их основе. СИНТ-05» (Воронеж, 2005) — VII Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2005) — VI и VII Международных научно-технических конференциях «Авиа-космические технологии. АКТ-05, АКТ-06» (Воронеж, 2005, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [3] - разработаны алгоритмы и программы, сделаны обобщения- [4] - выполнены расчеты технологических параметров процесса виброударного упрочнения- [5] - выведены аналитические зависимости для вычислений погрешностей упрочнения- [6] - выполнены исследования процесса виброабразивной обработки- [7] - разработана модель трехмерного формирования параметров качества поверхностного слоя- [8] - построена 3D модель, выполнены расчеты.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и заключения, изложенных на 180 страницахсодержит 86 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 94 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Основным результатом работы является повышение качества поверхностного слоя и снижение деформаций крупногабаритных деталей при виброударном упрочнении, при сокращении затрат и времени на экспериментальную отработку. Для этого был разработан метод теоретического определения трехмерного формирования параметров качества поверхностного слоя при виброударном упрочнении деталей с закреплением, для конечного множества ее участков с указанием координат расположения проблемных недостаточно упрочненных участков. Из расчетов динамических свойств инструментальной среды исключены эмпирические параметры — масса соударяющейся группы частиц, вибровязкость, квзиупру-гая жесткость и коэффициент диссипации, поскольку параметры инструментальной среды определяются непосредственно математическим моделированием.

Установлено, что равномерность формирования параметров качества поверхностного слоя при виброударном упрочнении деталей с закреплением зависит от равномерности распределения удельной кинетической энергии соударений частиц инструментальной среды между собой и с участками детали.

Установлено, что влияние конструктивных особенностей детали на равномерность формирования параметров качества поверхностного слоя частично компенсируется: базированием детали — на 10−15%- установкой пассивных силовых экранов на расстоянии 8−10 диаметров шариков от поверхности — на 20−25%- установкой активных силовых экранов на 40−47%.

Установлена теоретически и подтверждена экспериментально закономерная связь влияния неравномерности формирования величины и глубины остаточных напряжений первого рода на деформации деталей малой жесткости (на примере крупногабаритной стыковой нервюры крыла Ил-96). Величина деформаций деталей малой жесткости на этапе проектирования технологии виброударного упрочнения определяется на основе закономерностей трехмерного распределения остаточных напряжений в ее поверхностном слое.

1. Разработан и обоснован метод теоретического определения трехмерного формирования параметров качества поверхностного слоя при виброударном упрочнении детали с закреплением, с учетом динамических свойств инструментальной среды. На теоретическом этапе проектирования технологии метод выявляет труднообрабатываемые участки детали, определяет погрешности формирования параметров качества поверхностного слоя и деформации.

2. Установлены закономерности влияния параметров установки, свойств инструментальной среды, положения силовых экранов, базирования детали и ее конструктивных особенностей на равномерность формирования параметров качества детали и возникновение деформаций при виброударном упрочнении.

3. Для повышения качества поверхностного слоя без увеличения погрешностей целесообразно увеличивать диаметр шариков, в пределах радиусов галтелей детали, так как их увеличение на 50% повышает остаточные напряжения на 50−56% без значительного увеличения погрешности.

4. При небольших неравномерностях формирования остаточных напряжений 7−12% на локальных участках целесообразно использовать пассивные экраныпри средних неравномерностях — 25−30% целесообразно использовать активные экраныпри значительной неравномерности — 40−50% целесообразно использовать дополнительные колебания в направлении проблемных участков детали.

5. Различные расположения детали в инструментальной среде изменяют остаточные напряжения на 15−20% при постоянной погрешности, при значительном изменении координат расположения недостаточно упрочненных участков.

6. На основе результатов математического моделирования создан алгоритм разработки технологии виброударного упрочнения крупногабаритных деталей посредством учета выявленных закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающий достижение номинальных параметров качества и снижение деформаций.

7. Экспериментально подтверждена достоверность метода теоретического определения трехмерного формирования остаточных напряжений в производственном эксперименте при виброударном упрочнении полно-размерного макета нервюры: расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 47%. Ранее разработанные методы дают осредненные результаты, имеют в два — три раза большие расхождения.

8. Использование математического моделирования уменьшает затраты и время на определение режимов виброударного упрочнения, что подтверждается применением результатов исследований в производственном эксперименте по виброударному упрочнению полноразмерной крупногабаритной стыковой нервюры.