CC BY
16
М.Е. Попов, О. Хашаш, Д.Ю. Моргунов
ВИБРОУДАРНЫЕ И ВИБРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЯЮЩЕЙ И СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН
Рассмотрены вопросы динамики ударно-импульсной обработки поверхностей деталей инструментом с пружинным приводом. Дано описание конструкции устройства. Рассмотрены математические модели движения инструмента в различных стадиях его работы. Раскрыта связь динамики ударно-импульсной обработки со степенью пластической деформации, глубиной наклепа и топологией поверхностного слоя.
Ключевые слова: удар, виброударная обработка, упрочнение, упрочняющая обработка.
Применение статических методов ППД (например, выглаживание или накатывание), часто не рационально, из-за большой энергоемкости, в то время как аналогичное по эффективности силовое воздействие может быть получено при реализации ударно-импульсной и статико-импульсной обработки, но с меньшими энергетическими затратами [1, 2, 7].
На рис. 1 показано устройство для ударно-импульсной обработки, которое было сконструировано для токарно-винто-резного станка 1К625.
Ударно-импульсный инструмент с пружинно-кулачковым механическим приводом состоит из корпуса 10, на раме которого смонтирован электродвигатель 28 постоянного тока 4ПО80В1, от которого вращательное движение передается профильному кулачку 5. С наружной поверхностью кулачка контактирует подшипник качения, укрепленный на подпружиненном штоке 1. Шток 1, к которому крепится сменный инструмент — боек 25, движется в направляющих.
В конструкции устройства вращательное движение вала электродвигателя за счет применения кулачка со ступенчатым профилем преобразуется в возвратно-поступательное им-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 107-112. © 2016. М.Е. Попов, О. Хашаш, Д.Ю. Моргунов.
УДК 621.7.011
пульсное движение штока. Вращающийся кулачок плавно отводит подпружиненный шток в сторону сжимаемой пружины. В момент времени, когда профиль кулачка ступенчато изменяется сжатая пружина возвращает шток в исходное положение, позволяя наносить удар шариковым индентором, закрепленным на его противоположном конце.
Использование в качестве привода стандартного электродвигателя постоянного тока 4ПО80В1 ГОСТ 183-73 и двухступенчатого кулачка позволяет инструменту наносить удары с частотой:
f = юд • п = 33,3 + 66,6 Гц,
где юд = 16,6^33,3 об/сек — частота вращения электродвигателя; п = 2 — количество ступеней на кулачке.
Амплитуда движения штока обусловлена конструкцией применяемого кулачка (высотой ступени) и расположением обрабатываемой поверхности. В представленной конструкции максимально возможная амплитуда составляет А = 5 мм.
В процессе обработки на рабочие поверхности наносят многочисленные удары подпружиненного инструмента — бойка. Регулируя усилие пружины и форму кулачка, можно подбирать
Рис. 1. Инструмент для ударно-импульсной обработки с пружинным приводом
Рис. 2. Расположение отпечатков на поверхности при ударно-импульсной обработке инструментом с пружинным приводом
оптимальную энергию ударного импульса инструмента — бойка при отделочно-упрочняющей обработке конкретных деталей. В результате обработки в поверхностном слое создаются сжимающие напряжения порядка 600 МПа, а на поверхности образуются регулярные микронеровности высотой до 0,5^1,0 мм, которые удаляются последующей отделочной обработкой. При упрочнении ударно-импульсным инструментом, упрочненный слой формируется в результате наложения множества пластических отпечатков, получаемых под действием динамической нагрузки (рис. 2).
Степень, глубина и равномерность наклепа поверхностного слоя зависят от размеров пластических отпечатков и от степени (коэффициента) их перекрытия. Следовательно, размер единичной вмятины 5, скорость подачи заготовки относительно инструмента 5 и частота ударов / связаны между собой через коэффициент перекрытия:
с
К = 1 -
5 - f -60
Технологическими параметрами процесса ударно-импульсной обработки инструментом с пружинным приводом являются: энергия удара (А); динамическая составляющая нагрузки (Рд); статическая составляющая нагрузки (Рст); частота ударов (/); скорость подачи заготовки относительно инструмента (5); диаметр (ф инструмента — бойка (индентора).
При проектировании ударного механизма необходимо выбрать массу ударника, его ход и параметры пружины. Сила пружины Рпр и ее ход Н связаны между собой линейной зависимостью
р = Ро •(Н« - Н) ,
"= Н
где Н — максимальная из условия работы осадка пружины; Р0 — сила пружины при деформации.
Технология упрочнения включает следующие этапы: предварительное статическое (при настройке) и последующее периодическое ударно-импульсное нагружение инструмента.
Энергия ударного механизма расходуется на разгон рабочего элемента инструмента до необходимой скорости или кинетической энергии; на внедрение рабочего элемента в упрочняемый материал при передаче силы через звено упругой связи; на упругую деформацию звена упругой связи в момент удара; на пре6одоление сил трения в опорах и зоне контакта соударя-емых тел [3, 4, 5, 6].
Зная силу сжатия пружины Рср и ход бойка Х, можно с достаточной точностью определить потенциальную энергию Еп и энергию удара Еу.
Еп = Рср • Х = Еу + Еот .
В зависимости от диаметра вдавливаемого бойка (шара) и твердости обрабатываемого материала оптимальное значение энергии удара составляет 5^80 Дж, для конструкционных сталей - 15^50 Дж.
Зависимость между диаметром отпечатка d и нагрузкой Р на шар при его внедрении в упругой и пластической областях описывается уравнениями Герца и Мейера:
1 ,3
Р =
3Б •
1 V + 1 -У21Л
ч Е Е, Р = а • dn,
где D — диаметр шара; Е, Е1 — модуль упругости шара и обрабатываемого материала; ц, ц — коэффициенты Пуассона шара и материала; а, п — константы пластичности.
Глубина наклепа h связана с силой деформирования Р соотношением
к =
Р
'2с
т
где стт — предел текучести материала.
Для конструкционных сталей, с погрешностью не более ±10%, справедливо соотношение а = ИВ/3, поэтому
3 • Р
к = .-, h = 1,5 • й.
V нв
Глубина наклепанной зоны, полученной при ударном вдавливании шара, практически равна глубине наклепанной зоны, полученной при статическом однократном вдавливании шара, при условии равенства диаметров отпечатков. Поэтому зависимости параметров от глубины наклепанного слоя для условий статического вдавливания могут быть применимы и для ударного нагружения.
Исследование динамики процесса ударно-импульсной обработки инструментом с пружинным приводом, раскрытие закономерностей протекания процесса для различных стадий работы устройства позволяет наиболее эффективно использовать технологические возможности данного процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник. — М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.
2. Асланян И. Р., Бубнов А. С., Емельянов В. И., Попов М. Е. и др. Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография / Под ред. С. А. Зайдеса. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. — 560 с.
3. Нагаев Р. Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями. — М.: Наука, 1985. — 200 с.
4. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. — Л.: Машиностроение, 1976. — 324 с.
5. Рыковский Б.П., Смирнов В. А., Щетинин Т.М. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. — М.: Машиностроение, 1985. — 151 с.
6. Кильчевский И. А. Динамическое контактное сжатие твердых тел. Удар. — Киев: Наукова думка, 1976. — 314 с.
7. Зайдес С. А., Емельянов В. И., Попов М. Е. и др. Деформирующая обработка валов: монография / Под ред. С. А. Зайдеса. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. — 452 с. ЕИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Попов Михаил Егорович1 — доктор технических наук, профессор, доцент, e-mail: [email protected], Хашаш О}, Моргунов Д.Ю.1,
1 Донской государственный технический университет (ДГТУ).
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 107-112.
M.E. Popov, O. Khashash, D.Yu. Morgunov VIBRO-PERCUSSION AND VIBRO-WAVE METHODS FOR REINFORCEMENT AND STABILIZING TREATMENT OF MINING MACHINE PARTS
In paper clause the questions of dynamics of impact-pulse processing of surfaces of details by the tool with a spring drive are considered. The description of a design of the device is given. The mathematical models of movement of the tool in various stages of his work are considered. The connection of dynamics of impact-pulse processing with a degree of plastic deformation, depth hardening and topology of a superficial layer is opened.
Key words: impact, vibrowave processing, hardening, hardening treatment.
AUTHORS
Popov M.E}, Doctor of Technical Sciences,
Professor, Assistant Professor,
e-mail: [email protected],
Khashash O.1,
Morgunov D.Yu},
1 Don State Technical University,
344023, Rostov-on-Don, Russia.
REFERENCES
1. Odintsov L. G. Uprochnenie i otdelka detaley poverkhnostnym plasticheskim deformi-rovaniem. Spravochnik (Strengthening and finishing of parts by surface plastic deformation. Handbook), Moscow, Mashinostroenie, 1987, 328 p.
2. Aslanyan I. R., Bubnov A. S., Emel'yanov V. N., Popov M. E. Obrabotka detaley poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem: monografiya. Pod red. S. A. Zaydesa (Treatment of parts with surface plastic deformation: monograph. Zaydes S. A. (Ed.)), Irkutsk, Izd-vo IrGTU, 2014, 560 p.
3. Nagaev R. F. Mekhanicheskie protsessy s povtornymi zatukhayushchimi soudareniyami (Mechanical processes with repeated damped collisions), Moscow, Nauka, 1985, 200 p.
4. Panovko Ya. G. Osnovy prikladnoy teorii kolebaniy i udara (Principles of applied vibration theory and an impact), Leningrad, Mashinostroenie, 1976, 324 p.
5. Rykovskiy B. P., Smirnov V. A., Shchetinin T. M. Mestnoe uprochnenie detaley pov-erkhnostnym naklepom (Local strengthening of parts by surface cold working), Moscow, Mashinostroenie, 1985, 151 p.
6. Kil'chevskiy N. A. Dinamicheskoe kontaktnoe szhatie tverdykh tel. Udar (Dynamic contact compression of solids. Impact), Kiev, Naukova dumka, 1976, 314 p.
7. Zaydes S. A., Emel'yanov V. N., Popov M. E. Deformiruyushchaya obrabotka val-ov: monografiya. Pod red. S. A. Zaydesa (Deforming working of shafts: monograph. Zaydes S. A. (Ed.)), Irkutsk, Izd-vo IrGTU, 2013, 452 p.
UDC 621.7.011
