XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение упрочнения деталей в авиационной промышленности с помощью виброударной обработки деталей из металлических материалов (титановых и алюминиевых сплавов, стали)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Журавлева А.А. 1

---

1МБОУ Лесногородская СОШ

Немцова А.Ю. 1

---

1МБОУ Лесногородская СОШ

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение:

1.1. Цель работы.

Изучить процессы виброударной упрочняющей обработки деталей и их влияние на увеличение эксплуатационных характеристик.

1.2. Задачи.

Провести исследование влияния метода вибрационной обработки на упрочнение обрабатываемых деталей путем поверхностной пластической деформации.

1.3. Вступление

У меня появилась возможность изучить вопрос, который является актуальным в области авиастроения, поэтому данную работу я хочу посвятить

изучению процесса вибрационной обработки деталей в авиационной промышленности. Она будет включать в себя изучение технологических операций на вибрационной установке и составных частей оборудования данного типа.

Рассмотрим способ обработки металлической поверхности, позволяющий получить металлические детали, обладающие улучшенной коррозионной стойкостью, при которой на поверхности металла не остается следов железа, а это значит, что не происходит местной коррозии, вызываемой такими следами. Интенсивность бомбардировки поверхности частицами определим на основании размера прогиба контрольных пластин.

Научная значимость данной работы заключается в улучшении эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей в результате их обработки на вибрационной установке.

В настоящее время изучение процессов вибрационной обработки деталей – это актуальная задача, так как данная обработка увеличивает срок службы летательных аппаратов.

Вибрационная обработка основана на процессах такой научной дисциплины как физика, так как при обработке возникает упрочнение поверхностного слоя материала деталей (пластическое деформирование), вызванное в результате взаимодействия обрабатываемой детали с рабочими телами в виде стальных шариков, керамических или пластиковых чипсов при определенной амплитуде колебаний.

2.Теоретическая часть:

2.1. Причины и преимущества применения вибрационной упрочняющей обработки.

В условиях эксплуатации поверхностный слой детали подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. В большинстве случаев у детали начинают ухудшаться служебные свойства поверхности, например, износ, эрозия, кавитация, коррозия, усталостные трещины и другие разрушения развиваются вначале на поверхности. Поэтому к поверхностному слою предъявляются обычно более высокие требования, чем к основной массе детали. Основными причинами возникновения микронапряжений являются неоднородность пластической деформации и локальный, неоднородный нагрев металла поверхностного слоя, а при наличии превращений — разность объемов возникающих структур. Микронапряжения — местные остаточные напряжения в микрозонах. Они являются следствием фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зерен на блоки при пластической деформации. Причиной образования искажений кристаллической решетки являются, главным образом, дислокация и внедрение атомов. Степень и глубина наклепа обусловлены пластической деформацией поверхностного слоя и непосредственно связаны с увеличением дислокаций, вакансий и других дефектов кристаллической решетки металла. Как известно, при ударных методах рабочие тела или среда многократно воздействует на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае точечного ударного воздействия очаг деформирования может последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность. Необходимо учитывать, что обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:

‒ сохраняется целость волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;

‒ отсутствуют термические дефекты; ‒ стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности;

‒ можно достигать минимального параметра шероховатости поверхности (Ra = 0,1…0,5 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;

‒ можно уменьшить шероховатость поверхности в несколько раз за один рабочий ход;

‒ создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей опорной площади; ‒ создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое;

‒ плавно и стабильно повышается микротвердость поверхности. Указанные и другие преимущества методов поверхностного пластического деформирования обеспечивают повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20–50 %, а в некоторых случаях — в 2–3 раза (при условии выбора в каждом конкретном случае наиболее рационального метода и назначения оптимальных режимов обработки). Вибрационная ударная (виброударная) обработка является разновидностью объемной вибрационной обработки. При виброударной обработке рабочей камере, смонтированной на упругих подвесках и имеющей возможность колебаться в различных направлениях, сообщаются низкочастотные колебания — в большинстве случаев с помощью возбудителя колебаний. Вследствие вибраций рабочая среда и обрабатываемые детали имеют переменные по знаку ускорения и находятся в интенсивном относительном перемещении, совершая два вида движений: колебания с частотой, зависящей от частоты колебаний рабочей камеры, и круговые перемещения всей массы загрузки. Направление относительных перемещений детали и рабочих тел постоянно меняется, в результате чего между ними возникают соударения и усиленное трение. В процессе обработки детали, размещенные без закрепления, занимают различное положение, что обеспечивает определенную равномерность их обработки. Однако сила ударного взаимодействия при закреплении деталей будет больше, чем при их свободном расположении, а детали массой более 2 кг необходимо обрабатывать только закрепленными, так как в противном случае происходит их соударение и повреждение поверхностей. Виброударная обработка производится в результате множества микроударов и относительного скольжения с определенным давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемой детали. Рабочие тела движутся с переменным ускорением, что обеспечивает их большую подвижность. Виброударная обработка деталей основана на использовании двух- или трехкомпонентной вибрации, т. е. механических колебаний соответственно по двум и трем координатам. Двухкомпонентная, т. е. плоскостная вибрация характеризуется тем, что каждая точка рабочей камеры совершает гармонические колебания в одной плоскости — вертикальной, горизонтальной или наклонной. В наиболее распространенном случае траектория колебаний имеет вид окружности или эллипса. При трехкомпонентной, или объемной вибрации каждая точка рабочей камеры совершает гармонические колебания по пространственной замкнутой кривой с непрерывным изменением направления перемещений относительно выбранных осей координат. Траектория также имеют вид эллипса или окружности, они непрерывно изменяют свое угловое положение. Скорость и ускорения подвижной системы имеют три направления, поэтому такую вибрацию принято называть трехкомпонентной. Применение объемной вибрации позволяет лучше обрабатывать труднодоступные места деталей сложной замкнутой формы. Подбирая рабочие тела с соответствующими физическими свойствами и размерами и регулируя режим вибраций, можно обеспечивать широкий диапазон решаемых задач по упрочнению деталей. Вследствие высокой относительной подвижности рабочие тела хорошо вписываются в фасонную поверхность деталей, за счет чего этим методом можно упрочнять как наружные, так и внутренние поверхности сложных деталей различных размеров. Такого типа установку мы и будем использовать для изучения упрочнения металла вибрацией.

2.2. Описание вибрационной установки

Установка для вибрационного ударного упрочнения деталей модели ВУД предназначена для применения в составе технологического оборудования, реализующего комплексный технологический процесс изготовления деталей на промышленных предприятиях.

Выполняемый технологический процесс на установках данного типа относится к области машиностроения и может быть использован на предприятиях авиакосмической, автомобильной и других отраслей промышленности.

Назначение установки – улучшение эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей в результате упрочнения поверхностным пластическим деформированием материала деталей при виброударном взаимодействии обрабатываемой детали с рабочими телами в виде стальных шариков, керамических или пластиковых чипсов.

Выполняемые технологические операции на установке – вибрационная ударная абразивная обработка и вибрационное ударное упрочнение деталей из конструкционных металлических материалов (титановые и алюминиевые сплавы, стали).

Обработка мелких деталей производится внавал в контейнере; крупногабаритных деталей – в специальных приспособлениях, надёжно закреплённых в контейнере. Обработка особо ответственных деталей производится в специальном контейнере.

Общий вид установки представлен на рисунке 1.

Принцип работы установки основан на возбуждении колебаний подвижных частей машины (подвижной рамы с закреплённым на ней специальным контейнером), способствующих относительному перемещению обрабатываемых деталей с рабочей средой и соударению частиц рабочей среды с поверхностью обрабатываемой детали. Траектория движения рабочей среды является эллиптической, близкой к круговой.

Рис. 1. Общий вид установки ВУД.

2.3. Технические характеристики установки ВУД

Таблица 1 - Основные технические характеристики установки

(*) – Масса загруженного контейнера определяется как сумма масс пустого контейнера и находящихся в нем обрабатываемых деталей, рабочих тел, рабочей жидкости и технологической остнастки.

2.4. Состав установки ВУД

Перечень основных и вспомогательных составных частей установки в соответствии с рисунком 1 приведён в таблице 2.

Таблица 2 – Составные части установки

В состав вибрационной установки для вибрационного ударного упрочнения деталей ВУД входит следующее основное и вспомогательное оборудование:

Вибрационная машина – осуществляет рабочее движение (вибрацию) съёмного контейнера с заданными технологическими параметрами.

Вибрационная машина включает в себя следующие основные узлы и агрегаты:

а) рама нижняя;

б) рама подвижная с валами и дебалансами (возбудители колебаний);

в) приводной механизм;

г) защитное ограждение;

Контейнер для виброударной абразивной обработки деталей керамическими или пластиковыми чипсами – съёмная конструкция, устанавливаемая на вибрационную машину. В контейнере предусмотрены Т-образные пазы для установки приспособлений.

Контейнер для виброударного упрочнения деталей стальными шариками – съемная конструкция, устанавливаемая на вибрационную машину. В контейнере предусмотрены Т-образные пазы для установки приспособлений.

Система подготовки рабочей жидкости – осуществляет подготовку и циркуляцию рабочей жидкости в съёмном контейнере.

Станция пневматическая – осуществляет подготовку и циркуляцию сжатого воздуха в магистралях для потребителей установки.

Помосты (правый, левый) – вспомогательные мобильные конструкции лестничного типа для обслуживания контейнера на вибрационной машине.

Подставка – сварная конструкция, предназначенная для установки контейнера, снятого с вибрационной машины.

Шкаф с электрооборудованием и системой управления и панелью оператора.

Шкаф дополнительный предназначен для настройки и контроля необходимых параметров обработки возле установки.

2.5. Устройство и работа установки ВУД

Рис. 2. Машина вибрационная ВУД

Принцип работы машины вибрационной основан на возбуждении колебаний подвижных частей машины. Колебания подвижных частей машины (подвижной рамы с закреплённым на ней специальным контейнером) обеспечивают относительное перемещение и соударение частиц между рабочей средой и поверхностью обрабатываемой детали.

Рама нижняя (рисунок 2, поз.1) является основанием всей вибрационной машины. Она представляет собой сварную конструкцию, внутренняя полость которой для утяжеления засыпается мелким гранитным гравием.

Рама подвижная верхняя (рисунок 2, поз.2) является основанием для крепления контейнера. Она представляет собой сварную конструкцию, на которой в корпусах монтируются двенадцать сферических роликовых подшипников, являющихся опорами для валов главного движения. Валы соединены между собой муфтой упругой втулочно-пальцевой (МУВП). На валах установлены дебалансы (возбудители колебаний).

Электродвигатель (рисунок 2, поз.13) представляет собой асинхронный двигатель частотно-регулируемый (АДЧР) с короткозамкнутым ротором, общего назначения. Служит для передачи крутящего момента на валы главного движения рамы подвижной.

Передача механической энергии осуществляется от электродвигателя на валы главного движения при помощи гибкого элемента – приводного ремня (рисунок 2, поз.14). На постаменте (рисунок 2, поз.4) расположен натяжитель (рисунок 2, поз.11) для дополнительного натяжения и успокоения ремня. Вращение ведущего шкива (рисунок 2, поз.9) преобразуется во вращение ведомого (рисунок 2, поз.10) за счёт сил зацепления зубчатого ремня. Регулировка натяжения приводных ремней производится с помощью платформы крепления двигателя (рисунок 2, поз.3). Передача вращения от валов главного движения на валы рамы подвижной осуществляется через муфты лепестковые (рисунок 2, поз.6).

Муфта лепестковая (МУЛ-710) (рисунок 2, поз.6) – соединительный элемент механических передач, состоящий из двух полумуфт, соединённых между собой упругими лепестковыми элементами, изогнутых в виде дуги и закреплённых прижимными фланцами полумуфт при помощи болтов. Муфта служит для передачи крутящего момента от двигателя на группы валов через лепестки, которые и обеспечивают высокий уровень компенсации осевых радиальных и угловых смещений.

Пневмобаллоны И-15 (рисунок 2, поз.5) являются упругой связью между верхней подвижной рамой и основанием вибромашины и представляют собой резинокордную торообразную оболочку, закреплённую между двумя кольцами. Кольца с помощью болтов соединяются со стойками (рисунок 2, поз.7).

Стойки (рисунок 2, поз.7) служат дополнительным резервуаром для сжатого воздуха, уменьшающим жёсткость пневмобаллонов, и представляют собой сварную конструкцию, состоящую из трубы и двух фланцев. К верхнему фланцу, имеющему центральное отверстие, крепится пневмобаллон, а нижним глухим фланцем стойка крепится к основанию нижней рамы. К трубе приварена бобышка для подачи сжатого воздуха от шкафа управления пневмооборудованием.

Слив рабочей жидкости из контейнера осуществляется через приемные воронки, и далее по сливному коллектору (рисунок 2, поз.12) рабочая жидкость попадает в систему подготовки рабочей жидкости для фильтрации и отстаивания.

Контейнер для виброударной абразивной обработки деталей керамическими или пластиковыми чипсами представлен на рисунке 3. Контейнер для виброударного упрочнения деталей стальными шариками представлен на рисунке 4. Контейнеры представляют собой съёмные конуструкции, устанавливаемые на вибрационную машину и имеющие Т-образные пазы для крепления приспособлений.

Рис. 3. Контейнер для виброударной абразивной обработки

Конструкция контейнеров представляет собой емкость с U-образным днищем, усиленным ребрами жесткости и местами крепления контейнера на вибрационной машине. Для предотвращения разлета рабочих тел и разбрызгивания рабочей среды для контейнера предусмотрена крышка с прижимными элементами.

В верхней части торцевой передней стенки находится коллектор со штуцером, через который поступает рабочая жидкость.

В нижней части контейнера располагаются сливные штуцера, по которым рабочая жидкость поступает в сливной коллектор.

Рис. 4. Контейнер для виброударного упрочнения

После установки в контейнер приспособления с деталью, в него загружаются рабочие тела. Дальнейшая работа производится в соответствии с руководством по эксплуатации вибромашины: подается электропитание, включается подача рабочей жидкости в контейнер и включается привод вращения валов с дебалансами».

Производится цикл обработки детали, после чего включается реверс направления вращения валов с дебалансами и их вращение происходит в противоположную сторону. Количество циклов обработки, время обработки, назначаются из производственной технологической документации на данную деталь. Амплитуда колебаний контролируется визуально.

После окончания полного времени обработки установка выключается и производится частичная разгрузка контейнера от находящихся там рабочих тел для обеспечения раскрепления и выемки из контейнера технологического приспособления с деталью. Вне контейнера деталь вынимается из приспособления, промывается и подвергается контролю.

3. Экспериментальная часть:

3.1. Выбор способа обработки.

Виброударное упрочнение проводится:

-для деталей из сталей и титановых сплавов за два перехода, на первом обработка ведется керамическими чипсами соответствующего качества, на втором – стальными шариками;

-для деталей из алюминиевых сплавов за один переход, при котором обработка ведется керамическими чипсами соответствующего качества (применение стальных шариков определяется).

3.2. Выбор схемы обработки

Виброударное упрочнение как стальными шариками, так и керамическими чипсами (для деталей из алюминиевых сплавов) производится только при закреплении обрабатываемых деталей в контейнере вибрационной машины.

При обработке деталей с закреплением необходимо обращать внимание на максимально возможное свободное движение рабочих тел вдоль всех поверхностей детали, а также стенок и дна контейнера. Тонкостенные детали следует закреплять с наклоном.

3.3. Рабочие среды при вибрационной обработке и их выбор

Рабочие среды при виброударной обработке состоят из рабочих тел и рабочих жидкостей. Рабочие тела при этом являются инструментом и применяются в виде чипсов (керамических, пластмассовых) или стальных шариков. Для зачистки поверхности деталей и закругления острых кромок могут применяться пластмассовые чипсы.

Для виброударной обработки при выполнении зачистки поверхностей деталей из сталей, титановых и алюминиевых сплавов, а также поверхностного упрочнения при обработке деталей и алюминиевых сплавов применяются керамические чипсы производства РФ и керамические чипсы специализированных иностранных фирм ROSLER”, “W.Trowal” и др. с заданными формой, химическим и минералогическим составами связующих и режущих материалов, физико-механическими характеристиками и др.

Форма, размер и качество керамических чипсов выбираются в зависимости от конструкции и материала обрабатываемых деталей, размеров их отдельных частей и требований по качеству обработки.

При выборе размера гранул (керамических чипсов) следует учитывать уменьшение размеров гранул в результате их износа в процессе обработки. Керамические чипсы в форме трёхгранной прямой призмы (ПТ,D,F) являются наиболее универсальными при обработке плоских поверхностей деталей. Придание гранулам формы трёхгранной скошенной призмы (ПТС,S) повышает их режущую способность и обеспечивает возможность обработки угловых участков поверхности.

При виброударном поверхностном упрочнении в качестве рабочих тел применяются стальные шарики, представляющие собой хромированные полированные шарики для шарикоподшипников из закалённой стали ШХ-15 или ШХ-15ст (ГОСТ 801, ГОСТ 4727). Для виброударной обработки используются шарики диаметром 4,0–7,0 мм.

Шарики, применяемые для обработки должны быть чистыми, на них не допускается следов коррозии. После использования и выгрузки из контейнера вибрационной установки шарики должны храниться в (3-5%) водном растворе триэтаноламина.

В качестве рабочей жидкости будем использовать водный раствор, состоящего из нитрита натрия (2-3%) и триэтаноламина (5-7%).

3.4. Подготовка деталей для виброударной обработки

До начала упрочняющей обработки все детали из конструкционных металлических материалов имеют окончательные геометрические размеры, а также окончательную геометрическую форму. Внутренние и внешние кромки детали скруглены радиусом не менее 1,0 мм.

Поверхности деталей, предназначенные для упрочняющей обработки, промыты, обезжирены и не имеют никаких поверхностных покрытий (краска, масло, технологическое анодирование и др.), следы коррозии отсутствуют.

3.5. Параметры при вибрационной обработке и их контроль

Постоянно контролируемыми параметрами технологического процесса поверхностного упрочнения являются:

- интенсивность обработки;

- амплитуда колебаний, замеряемая в миллиметрах с применением мерных клиньев или вибродатчиков, установленных непосредственно на стенках контейнера вибрационной машины, в котором производится обработка, при этом в контейнере с помощью оснастки установлена деталь (детали) и контейнер полностью загружен рабочей средой;

- время обработки, измеряемое в мин.;

- шероховатость поверхности, определяемые по эталонам поверхности.

- количество и качество рабочих тел;

- состав, количество и уровень загрязнения рабочей жидкости.

Одним из основных параметров виброударного упрочнения является интенсивность обработки, которая контролируется путем измерения прогибов не менее двух стандартных образцов-свидетелей из стали 30ХГСА (далее - стальные образцы-свидетели), закрепленных на технологическом приспособлении, установленном внутри контейнера вибрационной машины.

.

Рис. 5. Образец-свидетель (контрольная пластинка) для

определения интенсивности упрочняющей обработки деталей из

алюминиевых сплавов.

Рис. 6. Образец-свидетель (контрольная пластинка ) для

определения интенсивности упрочняющей обработки деталей из сталей

и титановых сплавов.

В таблице 3 приведены значения прогибов образцов-свидетелей при виброударном упрочнении стальными шариками. Детали и приспособление с образцами закреплены в контейнере виброударной машины при обработке.

Таблица 3. Значения прогиба образцов-свидетелей.

Данные образцы-свидейтели устанавливаются вместе с обрабатываемой деталью при вибрационной обработке. Если показатели прогиба контрольных пластинок соответствуют диапазону, указанному в таблице, это говорит о том, что процесс вибрационного упрочнения деталей идет корректно.

3.6. Результаты испытаний.

На иркутском авиационном заводе (ИАЗ) проводились эксперименты на вибрационных установках ВУД. Главный параметр – интенсивность обработки контролировался по установленным образцам-свидетелям. Для эксперимента были выбраны две обработки: упрочнение чипсами алюминиевого сплава и упрочняющая обработка титановых сплавов стальными шариками. Полученные значения прогибов контрольных пластинок, указанные в таблице 4 говорят нам о том, что вибрационная упрочняющая обработка на установках модели ВУД происходит корректно и установленные детали обрабатывается должным образом.

Таблица 4. Значения прогиба образцов-свидетелей.

4. Заключение.

Техническим результатом изобретения вибрационной упрочняющей обработки является уменьшение вредного воздействия технологического процесса на окружающую среду, упрощение организации технологического процесса c сохранением эффективности удаления железа с поверхности деталей.

Главным результатом, является улучшение эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей из алюминиевых, титановых сплавов и сталей в результате их обработки на вибрационной установке.

5. Список используемой литературы.

- Повышение качества и надежности машин. Опыт уральских заводов/ С. Д. Волков и др.М. Машиностроение, 1974, 133с. Л. Г. Одинцов “Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием”. Справочник, М., “Машиностроение”, 1987.
-Д. Х. Бафаев. Упрочнение поверхностного слоя деталей машин виброударной обработкой.

-Д. Х. Бафаев. Технические науки в России и за рубежом: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2016 г.).

- Публикация RU 2 757 881C1 Авторы Алтухова Виктория Викторовна, Крупский Роман Фаддеевич, Кривенок Антон Александрович, Мирошниченко Александр Андреевич, Румянцев Юрий Сергеевич

- Производственная инструкция ПИ 1.4.2188-2005. Вибрационное ударное упрочнение деталей. Румянцев Ю.С. АО НИАТ