Моделирование процессов комплексной обработки отверстий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.787

Н.М. Тудакова, О.И. Кутилова, В.В. Крайнов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Приведены теоретические исследования технологического процесса формирования комплексного ан-тифрикционно-упрочненного поверхностного слоя внутренних цилиндрических поверхностей деталей нанесением покрытия из состава суспензии дорнованием.

Ключевые слова: моделирование, качество, трение, дорн, суспензия, антифрикционный, упрочнение.

Моделирование технологических процессов, направленных на повышение качественных характеристик поверхностного слоя, позволяет не только описывать те или иные стороны изучаемого объекта, явления или процесса, но и раскрывает новые стороны реально исследуемых процессов [1].

При традиционном дорновании СОЖ подается в зону обработки путем свободного обтекания инструмента и внутренней поверхности заготовки или с противодавлением [2] при одноэлементном инструменте. При свободном обтекании количество жидкости, которое увлекается в зону деформации, имеет определенный объем, в начальный момент равно объему вместимости пространства смазывающего клина. Вследствие прямолинейного поступательного движения деформирующего элемента количество жидкости в зоне клина будет уменьшаться, так как увеличивается поверхность деформированного отверстия и соответственно ее расход на поддержание слоя смазки. В результате возникает разрежение в зоне смазывающего клина, толщина слоя будет зависеть от способности смазки сопротивляться разрыву, т.е. вязкости, характеризуемой коэффициентом вязкости Увеличение разряжения за счет непрерывного уменьшения объема смазывающей жидкости в процессе дорнования приводит к разрушению смазывающего клина и разрыву смазки. При переходе некоторого критического значения толщины слоя наступает граничное и полусухое трение, влияние которых неблагоприятно проявляется при большой протяженности обрабатываемой поверхности.

Для обработки длинномерных внутренних цилиндрических поверхностей, например отверстий в деталях гидроцилиндров, разработан инструмент - дорн, позволяющий формировать антифрикционно-упрочненный поверхностный слой из суспензии антифрикционного порошка и связующего поверхностно-пластическим деформированием дорнованием [3].

На рис. 1 показан предлагаемый инструмент - дорн 1 с кольцевой канавкой 2 и радиальными каналами 3 в заборной части 4 дорна. На ленточке 5 дорна 1 расположена синусоидальная выточка 6, а сам дорн установлен на оправке 7 с осевыми пазами 8.

Обработку внутренних цилиндрических поверхностей осуществляют следующим образом. Дорну 1 сообщают рабочее движение. В момент соприкосновения заборной части 4 с обрабатываемой поверхностью по каналам 3 и кольцевой канавке 2 под давлением подается суспензия, состоящая из мелкодисперсного порошка и антифрикционного материала, например дисульфида молибдена и меди, и связующего - глицерина. Дорн под действием усилия дорнования внедряется поверхностью синусоидальной выточки в обрабатываемую поверхность в режиме скольжения со скоростью идорн.

Количество суспензии, которое увлекается в зону деформации конической (заборной) частью дорна в начальный момент времени имеет постоянный объем, равный вместимости

© Тудакова Н.М., Кутилова О.И., Крайнов В.В., 2012.

пространства. При поступательном движении деформирующего элемента в зону контакта между поверхностями детали и инструмента по каналам 3 и кольцевой канавке 2 подается суспензия, состоящая из порошка антифрикционного материала и связующего, которая в результате диффузионного взаимодействия материала частиц суспензии, подаваемого под давлением к поверхности детали и поверхностно-пластической деформации, образует анти-фрикционно-упрочненный поверхностный слой. При этом клин суспензии оказывает пластифицирующее воздействие деформирующего элемента за счет подачи ее под давлением.

Рис. 1. Дорн для формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя:

1 - дорн; 2 - канавка кольцевая; 3 - радиальный канал; 4 - заборная часть дорна; 5 - ленточка дорна; 6 - синусоидальная выточка; 7 - оправка; 8 - осевой канал; ёл - диаметр цилиндрической ленточки дорна; ёв - выточки дорна; ёо - диаметр оправки; ёк - диаметр осевых каналов; Ьв - высота выточки; Ьз - заборной конической части дорна

При дальнейшем перемещении деформирующего элемента - дорна 1 в зоне контакта его синусоидальной выточки 6, расположенной на цилиндрической ленточке 5, происходит увеличение нормальной составляющей деформирующей силы и значительное повышение удельных нагрузок и локальных температур. Последующее упругое восстановление очага деформации приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений.

Процесс комплексного формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя протекает на первом этапе в объеме вместимости пространства суспензии в условиях жидкостного трения, на втором этапе без наличия жидкостного слоя в условиях граничного и полусухого трения. Этот процесс смешанного терния, который может быть представлен в виде условной удельной силы трения т [4]:

Х = Тж + Тг-п = УЛ ducM / dh + M(1 - У ),

(1)

где д - коэффициент трения; ^ - коэффициент динамической вязкости жидкости; исм - скорость втекания суспензии; ёЬ - толщина слоя суспензии; q - давление суспензии; у - коэффициент непрерывности слоя суспензии.

Обе составляющие удельной силы трения включают коэффициент непрерывности слоя суспензии, характеризующей их взаимное влияние. При у =1 толщина жидкостного слоя не будет уменьшаться в процессе обработки ниже критической. Она полностью разделяет поверхность заготовки и инструмента, т.е. наблюдается жидкостное трение, и процесс поверхностной пластической деформации отсутствует. При у = 0 будет наблюдаться сухое трение, при котором частицы антифрикционного материала покрытия (МоБ2, Си, Сё и т.п.) будут отсутствовать в зоне контактирования.

Первая составляющая учитывает силу трения при наличии жидкостного слоя

Тж =у^ йи / йЬ. (2)

Сопротивляемость жидкости (суспензии) скольжению или сдвигу характеризует коэффициент динамической вязкости В состав суспензии входит глицерин, примерно 70...80%, являющийся ньютоновской жидкостью, динамическая вязкость которой не зависит от скорости деформации и составляет для глицерина при температуре Т = 20°С ^гл = 1,49 Пас, поверхностное натяжение глицерина при той же температуре а = 64,7-10" Н/м. Поскольку глицерин представляет собой слабый электролит, он обеспечивает возможность интенсивного растворения активных компонентов суспензии на активированных участках при трении [5].

Жидкостное трение между инструментом и деформируемой поверхностью обеспечивается гидродинамическим эффектом суспензии, возникающим при определенных соотношениях эффективной вязкости и обрабатываемых свойств металла, геометрии инструмента и частиц суспензии, скорости взаимного перемещения контактирующих поверхностей, принудительной под давлением подачи суспензии в зону очага деформации [5].

Гидродинамическое давление р суспензии

, = _£___(3)

(у

hKp

кр

+В

tga

где ^о - вязкость суспензии при начальных условиях; с - пьезокоэффициент вязкости; идорн -скорость дорнования; В1 - длина участка переднего конуса инструмента, участвующая в образовании гидродинамического клина:

В1=В - лд/tg a, (4)

где В - длина переднего конуса инструмента; a - угол переднего конуса инструмента; Ыд -натяг дорнования; h - критическая толщина слоя суспензии, необходимая для обеспечения

жидкостного терния:

hp = Rz + Rz д, (5)

где Rz - высота микронеровностей обрабатываемой детали; Rz д - высота микронеровностей дорна.

Принято считать, что жидкостное трение существует, когда толщина жидкостного трения h достаточна для сохранения свойств жидкостного трения, т.е. имеет место закон

Ньютона [4] :

Т = nu F/h,

, (6)

где Т - сила трения; ^ - коэффициента вязкости; и - скорость течения суспензии; F - поверхность деформируемой зоны.

Стремление к энергетической минимизации за счет замены граничного трения жидкостным позволяет более полно использовать пластические свойства металла и снизить силы контактного трения. Для этого необходимо учитывать весь комплекс явлений.

При дальнейшем уменьшении толщины слоя ккр — + ^г д происходит его разрыв

и появляется контакт между шероховатостями, локальные сварки, диффузионные процессы в пластифицируемую среду поверхности заготовки, т.е. процесс описывается второй составляющей уравнения (5):

Синусоидальная выточка 6 обеспечивает уменьшение усилия дорнования за счет уменьшения площади контактирования в радиальном направлении - масштабный фактор, а также за счет улучшения условия смазывания поверхностей уменьшается коэффициент трения (рис. 2). Синусоидальная форма выточки 6 позволяет затекать суспензии в зону цилиндрической ленточки 5 по большему периметру, увеличивая площадь контактирования суспензии с обрабатываемой поверхностью перед поверхностно-пластическим деформированием, обеспечивая большую смачиваемость поверхности.

Выдавленный деформирующим элементом материал заготовки образует волну по краям очага деформации, с гребнем которой контактирует струя суспензии (рис. 2, А-А). Величина волны внеконтактной деформации очень мала. В пределах ее поверхностный слой получает прогиб в связи с выпучиванием и сдвигом и испытывает деформацию растяжения с соответствующим его удлинением, при этом формируется активная дислокационная структура с высокими растягивающими напряжениями, что увеличивает химическую активность поверхности. Максимальные растягивающие напряжения возникают на гребне волны, в этом случае химическая активность поверхности еще больше повышается.

Поведение суспензии, взвешенной в жидкости, заполняющей замкнутый объем, показывает, что частицы суспензии не только увлекаются жидкостью посредством перемещения дорна, но и совершают весьма сложные движения относительно нее. Возникновение сложных пространственных движений частиц суспензии относительно жидкости и формируемого комплексного упрочненного поверхностного слоя зависит от геометрических характеристик

Тг _п = М(1 -у).

(7)

Рис. 2. Схема процесса диффузионного распределения суспензии:

Рсусп - давление суспензии; дсусп - распределенное давление суспензии; Яс - радиус синусоиды выточки; I - высотный параметр выточки

замкнутого объема между обрабатываемой поверхностью отверстия и выполняющим его поверхностную пластическую деформацию дорном, от динамической и кинематической вязкости суспензии, ее плотности, а также от параметров внешних форм воздействия (скорости дорнования, давления подачи суспензии в отверстия), которые возбуждают определенные формы движения.

Если принять за динамическую вязкость глицерина, а % за вязкость диперсных частиц антифрикционных материалов МоБ2, Си, Сё и т.п., то относительная вязкость суспензии

_ Лгл

п о" л,' (8)

В триботехнике применяют понятие кинематическая вязкость, как отношение динамической вязкости к плотности жидкости:

Л

у=7- (9)

где р - плотность жидкости.

При формировании комплексного упрочненного слоя необходимо определить условия, при которых частицы суспензии могут проникать с поверхности канала во внутренние области течения и достигать любой точки перемещающегося объема. Причем коэффициент вязкости суспензии можно определить [6, 7].

^ = [1 + 4,5(1-е] , (10)

где - коэффициент вязкости жидкой среды, Па-с; е - доля жидкой фазы в единице объема суспензии, д.-е.; 4,5 - поправочный коэффициент

При наличии радиальных 3 и осевых каналов 8 (рис. 1), по которым суспензия подается в зону контактирования под давлением, можно не только поддерживать давление суспензии в замкнутых зонах между зубьями дорна, но и регулировать измерением приращение давления при обработке в процессе формирования комплексного упрочненного ПС.

От площади сечения отверстия, конкретней от его конфигурации, зависит не только скорость, но и ускорение истечения суспензии (рис. 3).

Рис. 4. Варианты конструктивного исполнения отверстий подачи суспензии:

- диаметр отверстия; а?р - диаметр расширения отверстия

Расчет гидростатодинамического процесса должен быть основан на системе уравнений, включающей уравнение Рейнольдса, и уравнений, описывающих гидравлические сопротивления синусоидального элемента.

Основным условием работоспособности устройства является обеспечение требуемой несущей способности и жесткости слоя суспензии. Несущая способность зависит от давле-

ния в карманах. Распределение по длине кармана может быть определено из уравнения Рей-нольдса для потока жидкости, записанного с учетом следующих допущений [8, 9]:

• суспензия по совокупности - смазывающее вещество - представляет собой ньютоновскую жидкость;

• силы инерции и объемные силы в жидкости малы по сравнению с силами давления и трения;

изменение давления по толщине суспензии мало (др/ду=0); вязкость и плотность суспензии постоянны; стенка отверстия малоподвижна. Уравнение имеет вид

к(х)3 + к(х)3 = _12Л

дх2

и ук + и хк _

д^ х)' дх

(11)

где х - координата вдоль слоя суспензии; у - координата, перпендикулярная к слою суспензии; г - координата вдоль оси оправки; р(х, z) - давление в кармане; к (х) - зазор в кармане, определяемый разностью текущих координат поверхностей отверстия (у0) и кармана (ук); = 0 - окружная скорость оправки.

к( х) = Уо _ У к

(12)

Уо =

2 2 2 _ х2

О х ■

где К0 - радиус отверстия; ^ - динамическая вязкость жидкости (суспензии). Скорость истечения жидкости из проводящего суспензию отверстия

и ук = °к 18 ,

(13)

где О - расход суспензии из отверстия; £ - площадь сечения отверстия.

Проведенные зависимости были проверены на практике, они соответствуют эксплуатационным данным с расхождение 20%. В частности в результате данной обработки формируется антифрикционно-упрочненный поверхностный слой толщиной 0,1...0,3 мм с глубиной проникновения элементов покрытия 0,010.0,025 мм, шероховатостью поверхности Яа = 0,63.0,8 мкм, остаточными напряжениями сжатия аост=100.. .300 МПа.

Библиографический список

1. Тудакова, Н.М. Повышение качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей многозвенных ушковых соединений, работающих в условиях фреттинг-коррозии, на основе комбинированной упрочняющей (на примере стыковых соединений планера самолета). Дисс. ... канд. техн. наук. - Н. Новгород: НГТУ, 2002. - 190 с.

2. Пат. № 2063861 В24В39/02, В23Д43/02 Способ деформирующе-режуще-выглаживающего прошивания-редуцирования поверхностей и устройство для его осуществления / А.В. Шед-рин, М.И. Грошев. 20.07.1996.

3. Дорн для формирования антифрикционно-упрочненного поверхностного слоя / В.М. Сорокин [и др.] // Патент на полезную модель 109689 В24В39/00, С23С24/06 от 27.10.11.

4. Гидропластическая обработка металлов / К.Н. Богоявленский [и др.]. - М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

5. Сивцев, Н.С. Самоорганизация контактного трения и точность обработки при дорновании // Вестник машиностроения. 2003. №1. С. 57-61.

6. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. - М.: Химия, 1987. - 496 с.

7. Пат. № 2343452С2 Способ определения вязкости суспензии / Ю.И. Шмигин, А.Н. Плановский. 10.01.2009.