ArticlePDF Available

Проектиране и якостен анализ на конструкцията на приспособление за повърхностно пластично деформиране на равнинни повърхнини по нова схема / Design and strength-deformation analysis of the device for surface plastic deformation of flat surfaces working on a new kinematic scheme

Authors:
Article

Проектиране и якостен анализ на конструкцията на приспособление за повърхностно пластично деформиране на равнинни повърхнини по нова схема / Design and strength-deformation analysis of the device for surface plastic deformation of flat surfaces working on a new kinematic scheme

Abstract and Figures

В доклада е описано приспособление за формиране на регулярни микрорелефи (РМР) по равнинни повърхнини по нова схема, чрез обработване по метода на повърхностното пластично деформиране (ППД). Представени са елементите на конструкцията, резултати от извършения по метода на крайните елементи силово-деформационен анализ и технологичните характеристики, които могат да се постигнат при използването му. / The report describes a device for processing of regularly distributed roughness on planar surfaces by a new scheme using ball-burnishing method. The elements of the construction as well as the results of the strength-deformation analysis carried out by the finite element method and the technological characteristics that can be achieved during its use are also presented.
Content may be subject to copyright.
Проектиране и якостен анализ на …
113
ПРОЕКТИРАНЕ И ЯКОСТЕН АНАЛИЗ НА КОНСТРУКЦИЯТА НА
ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ЗА ПОВЪРХНОСТНО ПЛАСТИЧНО ДЕФОРМИ-
РАНЕ НА РАВНИННИ ПОВЪРХНИНИ ПО НОВА СХЕМА
Стоян СЛАВОВ Красен КРЪСТЕВ Евстати ЛЕФТЕРОВ
sdslavov@tu-varna.bg kak@tu-varna.bg lefterov@tu-varna.bg
Катедра ТМММ, ТУ-Варна, 9010, БЪЛГАРИЯ
В доклада е описано приспособление за формиране на регулярни микрорелефи (РМР) по
равнинни повърхнини по нова схема, чрез обработване по метода на повърхностното
пластично деформиране (ППД). Представени са елементите на конструкцията, резул-
тати от извършения по метода на крайните елементи силово-деформационен анализ и
технологичните характеристики, които могат да се постигнат при използването му.
Ключови думи: повърхностно пластично деформиране, приспособление, регулярни
микрорелефи, довършващо обработване на равнинни повърхнини.
І. Увод
Равнинните повърхнини, често се явяват
функционален елемент от различни видове
опорни и/или направляващи контактни повърх-
нини или са елемент на опорни (петови)
плъзгащи лагери (например опори на уникални
подемно - транспортни съоръжения,
транспортьори в химическата промишленост,
детайли от различни машини и механизми на
плавателни съдове и др.). Те обикновено
работят в условията на големи контактни
натоварвания, а относителната скорост на
движение между контактуващите повърхнини е
сравнително малка. Освен това, условията на
работата им са свързани със затруднено мазане,
наличие на запрашеност, сравнително големи
температурни разлики и др. [3, 6]. При тези
условия, поддържането на режими на полутечно
и течно триене между контактните повърхнини
е трудно постижимо и неустойчиво. При тях
често се регистрират ускорено износване,
аварийни задирания или затруднено
относително движение, предвид описаните по-
горе особености на взаимодействие.
Използването на класическите методи за
довършваща обработка (като фино струговане,
фрезоване и/или шлифоване) не създават опти-
мална геометрия на грапавостта на контактните
повърхнини, която да облекчава относителното
им движение, с ниски сили на триене, добра
износоустойчивост и предотвратяване на
задиране [1, 3, 6].
В публикувани изследвания [3, 6] е показа-
но, че след обработване чрез т.н. процес на
„вибрационно повърхностно пластично дефор-
миране“ (ВППД), при който, чрез притискане на
сферичен елемент с определен диаметър, дви-
жещ се по сложна траектория, се формират т.н.
„регулярни микрорелефи“ (РМР). Те се образу-
ват от наслагването на следите от деформира-
щия елемент по специфичен начин, който де-
формира пластично повърхностния слой на об-
работваната повърхнина студено състояние
на материала), като в зависимост от стойностите
на режимните параметри на процеса се образу-
ват текстури с голям брой четири - или шестоъ-
гълни елементи. Параметрите на грапавостта на
РМР и физикомеханичните характеристики на
повърхностния слой на материала, обработен
чрез ВППД качествено се различават от тези,
получаващи се след класическите методи на
довършваща обработка чрез стружкоотнемане
[3]. Тези им характеристики обуславят и по-
високата износоустойчивост, по-ниските сили и
коефициенти на триене, повишаване на граница
на якостна умора и корозионна устойчивост на
повърхнините притежаващи РМР, получени
чрез ВППД.
ІІ. Проблеми и ограничения на класическите
методи за получаване на РМР чрез ВППД
Наред с гореизброените предимства на
РМР, класическите методи [4], по които се осъ-
ществява процеса на ВППД притежават някои
съществени недостатъци, като например:
а) за формиране на сложната траектория на
движение на деформиращия елемент при
ВППД, конструктивно заложените кинематични
движения на универсалните машини обикнове-
но са недостатъчни, поради което е необходимо
Машиностроене и машинознание
114
конструирането и изработването на допълни-
телни специални приспособления [2], които да
осигурят необходимото допълнително (осцили-
ращо) движение на инструмента за пресичане на
следите от него и формиране на РМР. Това води
до увеличаване на времето за подготовка и ос-
къпява технологичното осигуряване на процеса
ВППД. Освен това, допълнителното осцилира-
що движение на деформиращия елемент (което
е с честоти в порядъка на 50 ÷ 150 Hz и ампли-
туди от 2,5 до 5 mm, води до допълнително ди-
намично натоварване на системата: машина -
приспособление - инструмент – детайл (МПИД);
б) скоростите на главното и подавателните
движения на ръчно управляемите металообра-
ботващи машини не могат да се изменят безсте-
пенно, което води до ограничения в получава-
ната форма и габаритни размери на клетките на
формиращия се РМР.
в) липсата на кинематична връзка и следо-
вателно на синхронизация между движенията,
осигурявани от ръчно управляемите машини и
тези на допълнителните приспособления, води
до нарушаване на еднородността на габаритите
и формата на клетките от РМР;
г) с цел избягване на нерегламентирано
пресичане на траекторията на движение на де-
формиращия елемент, а оттам и получаването
на нееднороден РМР, при схемите за обработ-
ване чрез ППД върху ръчно управляеми маши-
ни, често се налага принудително прекъсване на
контакта между него и обработваемата повърх-
нина. Това води до ударно натоварване на тех-
нологичната система МПИД и следователно до
влошаване на параметрите на качество на РМР
както и до нееднородност на получаващите се
клетки (по форма и размери);
д) сравнително малките скорости на пода-
вателните движения на традиционните машини,
съчетано с необходимостта от прекъсване на
контакта между деформиращия елемент и обра-
ботваемата повърхнина, съществено увеличава
времето за обработване, а оттам получаването
на ниска производителност на процеса при об-
работката на по-едро габаритни детайли.
Поради тези причини, регулярните мик-
рорелефи, получавани по методите на ВППД
все още не намират широко приложение в съв-
ременното машиностроително производство.
ІІI. Нова схема за обработване на РМР чрез
ППД
С масовото навлизане на металорежещите
машини с цифрово-програмно управление (ММ
с ЦПУ) и CAD / CAM софтуерните продукти за
автоматизирано проектиране в машиностроене-
то през последните години и отчитайки безс-
порните им предимства, в сравнение с традици-
онното проектиране на технологични процеси и
използването на ръчно-управляеми машини,
обуславят и повишения интерес в търсенето на
начини за използването на тези средства за
формиране на РМР по метода на повърхностно-
то пластично деформиране. Използването на
металорежещи машини с ЦПУ (от вида на 3-
осни фрезови машини) за реализиране на ППД
предлага възможности за избягване на повечето
от изброените недостатъци на схемите за вибра-
ционно ППД [4]. Така например, при използване
на машини с ЦПУ отпада необходимостта от
допълнителното възвратно-постъпателно дви-
жение на деформиращия инструмент при
ВППД, тъй-като сложната траектория на дви-
жението му се постига чрез линейна интерпола-
ция на движенията, осигурявани от масата на
машината. Това гарантира и по-стабилната ра-
бота на технологичната система МПИД, което
позволява да се поддържат постоянни стойнос-
тите на зададените режимни параметри, а оттам
и по-висока еднородност на получаващите се
качествени и експлоатационни характеристики
на равнинните повърхнини, притежаващи РМР.
Безстепенното изменение на скоростта на пода-
вателните движения, както и по-високите ско-
рости, които осигуряват подавателните приводи
на този вид машини, способства за повишаване
на производителността на процеса и по-доброто
управление на характеристиките (форма, габа-
ритни размери и др.) на получаващите се РМР.
За моделиране на необходимия инстру-
ментален път на движение на деформиращия
елемент по равнинни повърхнини са разработе-
ни и се прилагат съответни модели [5], реализи-
рани с помощта на софтуерния продукт Mathcad
(PTC), а за програмирането на обработката се
използва CAM-системата FeatureCAM (Delcam
Plc), което съществено съкращава времето за
технологична подготовка на процеса ППД по
новата схема.
В класическите схеми за ВППД обаче се
използват специализирани приспособления,
осигуряващи режимните параметри на процеса
ВППД [1,3], чиято конструкция, функционал-
ност и елементи за установяване върху ръчно-
управляеми машини, не са подходящи за изпол-
зването им при новата схема за обработване
чрез ППД на машини с цифрово програмно уп-
равление. Поради тази причина е поставена и
основната цел на настоящата разработка, а
именно конструиране и изработване на приспо-
собление за повърхностно пластично деформи-
ране на равнинни повърхнини. Основните изис-
квания към него са както следва:
Проектиране и якостен анализ на …
115
1. Да позволява установяване във вретено-
то и да работи с различни модели 3-ли пове-
че) осни фрезови машини/центри/ с ЦПУ;
2. Да осигурява еластичен контакт с обра-
ботваната повърхнина и възможност за регули-
ране на силата на притискане на деформиращия
елемент, както и работа с деформиращи елемен-
ти с различни диаметри, за обработване на рав-
нинни повърхнини на детайли от различни ви-
дове материали (черни и цветни метали и спла-
ви) и вариращи физикомеханични свойства
(твърдост);
3. Да осигурява минимално радиално бие-
не на деформиращия елемент, за постигане на
по-близка до изчислената траектория на движе-
ние, а оттам и на минимално отклонение във
формата и размерите на клетките на получава-
щите се РМР.
ІV. Конструкция и принцип на действие на
приспособлението за ППД
Конструкцията и съставните елементи на
разработеното приспособление за ППД са пока-
зани на фиг. 1. а). То се състои от основно тяло
– поз. 1, което посредством цилиндричната си
опашка (Φ 32к6) се установява в стандартни
държачи за фрезови вретена (типоразмер ISO
40) и стандартизирани конусни опашки по DIN
2080 и DIN 69871, вида на които е показан на
фиг. 1. б и в). По външния диаметър на тялото 1
е нарязана метрична резба M60х2 по която се
монтират задната гайка (поз. 3) и предната ка-
пачка (поз. 10). В задната вътрешна част на
тялото (поз. 1) е разположена задната пружинна
пета (поз. 2), в която радиално, под ъгъл 1200 са
монтирани три резбови щифтове М12 (поз. 11),
които се водят по трите канала на тялото 1. Рез-
бовите щифтове контактуват с челото на задна-
та гайка (поз. 3) като при аксиалното й премест-
ване по резбата, придвижват задната пружинна
пета. Тя контактува с пружината (поз. 4), чрез
която се осигурява еластичен контакт на дефор-
миращия елемент и обработваната повърхнина,
както и необходимата сила на притискане. Из-
ползвани са два типа стандартно произвеждани
натискови пружини с шлифовани чела и външен
диаметър 40 mm (Hennlich, Германия) от пру-
жинна тел DIN 2076 с диаметър 8 mm и осигу-
ряващи максимални сили, респективно:
Пружина 1 при максимално напрегната
дължина L=48 mm – сила F до 3139,1 N;
Пружина 2 при максимално напрегната
дължина L=65 mm – сила F до 2885,8 N;
В предната част на приспособлението
пружината 4 контактува с предния пружинен
фланец (поз. 5), в който е монтирана със стегна-
тост бронзовата втулка (поз. 6). Тя контактува и
предава силата от пружината на деформиращия
елемент (поз. 7), представляващ сачма от лагер-
на стомана 100C6 с висока твърдост (60÷65
HRC). Деформиращият елемент е сменяем, като
могат да бъдат използвани лагерни сачми с ди-
аметри в диапазона от 8 до 22 mm. Лагерната
втулка (поз. 9) също е сменяема, като вътреш-
ния й диаметър зависи от диаметъра на използ-
ваната сачма. По външния си диаметър втулката
9 се установява в лагерния фланец (поз. 8) със
стегнатост. Той от своя страна, чрез предната
резбова капачка (поз. 10) се притяга към тялото
на приспособлението (поз. 1), като по този на-
чин се уравновесява силата от пружината 4, в
случаите когато деформиращия елемент не кон-
тактува с обработваната повърхнина. По време
на работа на приспособлението, между предния
пружинен фланец (поз. 5) и лагерния фланец
(поз. 8) се осигурява хлабина от порядъка на 0.5
÷ 1 mm, така че силата от пружината 4, чрез
бронзовата пета 6 и деформиращия елемент 7 се
а)
б)
в)
Фиг. 1. а) Конструкция на приспособление за повърхностно пластично деформиране по нова схема;
б) Държач тип ISO 40, DIN 2080; в) Държач тип ISO 40, DIN 69871.
Машиностроене и машинознание
116
предава на обработваната повърхнина и по този
начин се осигурява пластичната деформация на
повърхностния й слой. Силата, осигурявана от
пружината се регулира чрез навиване (или раз-
виване) на задната гайка (поз. 3) и се контроли-
ра чрез измерване на линейното свиване на
пружината 4, чиято коравина е известна. С цел
предотвратяване на саморазвиване по време на
работа на приспособлението, след като се регу-
лира натягат на пружината, гайката 3 се засто-
порява чрез радиални стопорни винтове (които
не са показани на фиг. 1 а).
На фиг. 2 е показано фотореалистично предс-
тавяне на приспособлението.
Фиг. 2. Фотореалистично представяне
на приспособлението
V. Силово-деформационен анализ на приспо-
соблението за ППД
Тъй като отделните детайли на приспособ-
лението са със сложна форма, и немогат да бъ-
дат използвани съществуващи аналитични зави-
симости от съпромата и машинните елементи,
затова за определяне на напреженията и дефор-
мациите е проведен статичен анализ с модула
Simulation от SolidWorks. Всички основни еле-
менти на приспособлението са изработени от
стомана марка 41Cr4 ( БДС EN 10083-1:2006), с
изключение на детайлите от позиции 6 и 9 от
фиг. 1.а, които са изработени от фосфорен бронз
RG5 (DIN 1705).
Последователност на провеждане на моде-
лирането (по метода на крайните елементи):
1. Подготовка на геометричния модел от
SolidWorks във вид удобен за провеждане на
анализа предварително се извършва опростя-
ване на модела, като се изключват елементи
(резби, малки фаски и други), както и деформи-
ращите елементи (пружина, сачма), които не са
от съществено значение за провеждания анализ
- фиг.3.
2. Задаване на гранични условия:
Запъването по присъединителната ци-
линдрична повърхнина на опашката (фиг. 4,а) и
по задната повърхнина на фланеца на пружина-
та (фиг. 4,б);
Силово натоварване – задаване на реак-
циите от натоварването на деформиращия еле-
мент (фиг. 5,а), реакцията от силата в пружината
(фиг. 5,б) и силата на затягане на двата винта от
държача (фиг. 5,в).
Фиг. 3. Опростяване на модела
за провеждане на анализа
а)
б)
Фиг. 4. Запъване на модела
Проектиране и якостен анализ на …
117
а)
б)
в)
Фиг. 5. Силово натоварване на модела.
3. Генериране на мрежата за крайните еле-
менти (фиг. 6). Допълнително е приложен конт-
рол, за да се генерират крайни елементи с по-
малки размери в критичните зони. Броят на въз-
лите на мрежата е 81001, а на крайните елемен-
ти – 52812.
Фиг. 6. Вид на мрежата на крайните елементи.
4. Стартиране на симулацията.
5. Извеждане на получените резултати:
Еквивалентни напрежения (vonMises)
– фиг. 7,а и б. Максималното изчислено напре-
жение е 59.3 МРа;
а)
б)
Фиг. 7. Еквивалентни напрежения (vonMises) в
конструкцията на приспособлението.
Премествания (деформации) фиг. 8.
Максималното преместване е 0.024 mm;
Машиностроене и машинознание
118
Фиг. 8. Премествания (деформации) на тялото.
Коефициент на сигурност (Factor of
Safety Definition) фиг. 9. Минималната изчис-
лена стойност на коефициента на сигурност на
конструкцията е 8.9, което е от 3 до 6 пъти по-
високо от минимално допустимите стойности за
този коефициент, които са в порядъка от 1.5 до
3.
Фиг. 9. Коефициент на сигурност (FOS).
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Резултатите от проведения статичен анализ
,по метода на крайните елементи с модула Simu-
lation от SolidWorks, показват, че стойностите
на максималните напрежения, премествания и
на коефициента на сигурност са в границите на
допустимите. Това ще гарантира безаварийна
работа на приспособлението.
Предимство на предлаганото решение е
сравнително опростената конструкция с мини-
мален брой детайли. Става възможно да се фор-
мират разнообразни РМР, благодарение на из-
ползването на ММ с ЦПУ.
Настоящия доклад е изготвен във връзка с
проект НП-18/2013, в рамките на присъщата на
ТУ-Варна научно-изследователска дейност,
финансирана целево от държавния бюджет на Р.
България.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Одинцов Л. Г.Упрочнение и отделка деталей
поверхностным пластических деформированием“
Спр., изд. „Машиностроение“, 1987, 328 с. с ил.
2. S. D. Slavov, A device for processing regularly dis-
tributed roughness on planar surfaces by using flat vibra-
tory ball burnishing process. 6th International conference
on Advanced Mechanical Engineering & Technology
(AMTEH), Sozopol, Bulgaria, Volume: 2, 2001, pp. 51 -
56;
3. Славов С. Д., "Определяне на изменението на
опорната площ, маслозадържащата способност и
параметрите максимална грапавост, радиус на зак-
ръгление, стъпки и наклон на грапавините, при плос-
ки повърхнини притежаващи регулярни микроре-
лефи (РМР) получени след вибрационно повърхнос-
тно пластично деформиране", сп. "Машиностроител-
на техника и технологии", изд. на ТО на НТС-Варна
и ТУ-Варна, 2002, ISSN 1312-0859; с. 9–15;
4. Славов С. Д., „Възможности на съвременните
CAD/CAM системи и металорежещи машини с ЦПУ
за формиране на регулярни микрорелефи чрез ППД“,
сп. "Машиностроителна техника и технологии", изд.
на ТО на НТС-Варна и ТУ-Варна, кн.1, 2010,
ISSN1312-0859; с. 43–46;
5. Славов С. Д. „Моделиране на формирането на
регулярни микрорелефи по плоски повърхнини, об-
работвани чрез повърхностно пластично деформира-
не с използване на CAD/CAM системи и металоре-
жещи машини с ЦПУ“, сп. "Машиностроителна тех-
ника и технологии", изд. на ТО на НТС-Варна и ТУ-
Варна, кн. 1, 2010, ISSN 1312-0859; с. 47 – 52;
6. D. S. Georgiev, S. D. Slavov, Research on tribological
characteristics of the planar sliding pairs which have
regular shaped roughness obtained by using vibratory
ball burnishing process. 3rd International Conference
"Research and Development in Mechanical Industry"
RaDMI-2003, At Herceg Novi, Serbia and Montenegro,
Volume: 2, 2003, pp. 719 - 725.
За контакти:
1. доц. д-р инж. Стоян Димитров Славов,
кат. ТМММ на ТУ-Варна,
9010, гр. Варна, ул. „Студентска“ 1
Телефон: 052 383 690
Email: sdslavov@tu-varna.bg
2. гл. ас. д-р инж. Красен Ананиев Кръстев,
кат. ТМММ на ТУ-Варна,
9010, гр. Варна, ул. „Студентска“ 1
Телефон: 052 383 695
Email: kak@tu-varna.bg
3. доц. д-р инж. Евстати Лефтеров Лефтеров,
кат. ТМММ на ТУ-Варна,
9010, гр. Варна, ул. „Студентска“ 1
Телефон: 052 383 357
Email: lefterov@tu-varna.bg
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Conference Paper
Full-text available
The article describes the kinematical scheme of a device for processing regularly distributed roughness on planar surfaces by using flat vibratory ball burnishing process. Its construction components and the technological characteristics that can be achieved when the device is used for real processing are also described. It is indicated with which metal-cutting machines the device can work with.
Conference Paper
Full-text available
The present work presents summary results, obtained by carried out experimental research of tribology characteristics of flat surfaces (which have a regular shaped roughness), worked in dry friction, and friction with lubrication. The experimental counterparts are made of carbon steel and respectively of cast iron. The specimens from one of the sliding pair are machined by flat finishing grinding. The others steel elements are processed by using a flat vibratory ball-burnishing process. The friction forces, variability of friction forces, and coefficients of friction are investigated.
Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластических деформированием" Спр., изд
  • Л Одинцов
Одинцов Л. Г. "Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластических деформированием" Спр., изд. "Машиностроение", 1987, 328 с. с ил.
Възможности на съвременните CAD/CAM системи и металорежещи машини с ЦПУ за формиране на регулярни микрорелефи чрез ППД", сп
  • С Д Славов
Славов С. Д., "Възможности на съвременните CAD/CAM системи и металорежещи машини с ЦПУ за формиране на регулярни микрорелефи чрез ППД", сп. "Машиностроителна техника и технологии", изд. на ТО на НТС-Варна и ТУ-Варна, кн.1, 2010, ISSN1312-0859; с. 43-46;
Моделиране на формирането на регулярни микрорелефи по плоски повърхнини, обработвани чрез повърхностно пластично деформиране с използване на CAD/CAM системи и металорежещи машини с ЦПУ", сп
  • С Славов
Славов С. Д. "Моделиране на формирането на регулярни микрорелефи по плоски повърхнини, обработвани чрез повърхностно пластично деформиране с използване на CAD/CAM системи и металорежещи машини с ЦПУ", сп. "Машиностроителна техника и технологии", изд. на ТО на НТС-Варна и ТУ-Варна, кн. 1, 2010, ISSN 1312-0859; с. 47 -52;
Определяне на изменението на опорната площ, маслозадържащата способност и параметрите максимална грапавост, радиус на закръгление, стъпки и наклон на грапавините, при плоски повърхнини притежаващи регулярни микрорелефи (РМР) получени след вибрационно повърхностно пластично деформиране
  • С Д Славов
Славов С. Д., "Определяне на изменението на опорната площ, маслозадържащата способност и параметрите максимална грапавост, радиус на закръгление, стъпки и наклон на грапавините, при плоски повърхнини притежаващи регулярни микрорелефи (РМР) получени след вибрационно повърхностно пластично деформиране", сп. "Машиностроителна техника и технологии", изд. на ТО на НТС-Варна и ТУ-Варна, 2002, ISSN 1312-0859; с. 9-15;