Струйная гидроабразивная обработка поверхностей (стр. 5 из 9)
где Δh - изменение положения средней линии, мм; M’j— высота нового профиля относительно средней линии исходного профиля, мм.
Высота нового профиля относительно его средней линии определяется по следующей формуле:
Предлагаемая математическая модель формирования микрорельефа поверхностного слоя является универсальной и позволяет осуществлять имитационное моделирование для различных характеристик шероховатости исходной поверхности в широком диапазоне изменения технологических параметров струйной ГАО. На рис. 3.16 приведена схема алгоритма моделирования формирования микрорельефа поверхности при струйной ГАО.
Исходными данными для проведения процесса моделирования являются: характеристики обрабатываемого материала плотность ρа, предел текучести σт; характеристики исходной шероховатости поверхности — Rа, Rмах, базовая длина характеристики абразивного материала — плотность частиц ρаб, насыпная плотность ρаб,Н, средний радиус частик R; характеристики гидроабразивной струи - плотность жидкой фазы ρж, концентрация абразивных частиц в суспензии К, массовый расход суспензии mc; скорость абразивных частиц Са;угол атаки а; площадь, охватываемая гидроабразивной струей за одну секунду 1'с, число отрезков дискретизации базовой длины профиля л; время обработки Т.
Моделирование начинается с создания исходного профиля обрабатываемой поверхности, дли чего формируется массив M(i) случайных чисел, равномерно распределенных в интервале от -5RmaxдоRmax. Среднее арифметическое отклонение формируемого массива должно быть равно исходному значению RmaxДалее по формулам (3.15), (3.25). (3.26) определяют максимальную глубину внедрения абразивной частицы и число единичных актов взаимодействия на элементарном участке обрабатываемой поверхности.
Цикл моделирования начинается с выработки случайной точки па профиле, в которой происходит контакт абразивной частицы с поверхностью. По формуле (3.47) определяется высота профиля микрорельефа относительно его исходной средней линии в точках, где произошла деформация. После каждого цикла моделирования по формулам (3.48). (3.49) производится корректировка положении средней линии, определение высоты нового профиля и проверка на окончание процесса моделирования назавершающем этапе моделирования определяют параметры шероховатости поверхности, сформированной в результате моделирования. Разработанная математическая модель позволяет определять пять параметров шероховатости: Ra , Rmax, Rz , Sm , S. Для осуществления процесса моделирования был разработан программный комплекс для ЭВМ.
На рис. 3.17,.... 3.19 приведены зависимости шероховатости обработанной поверхности от скорости, размеров и угла атаки абразивных частиц, полученные в результате моделирования обработки титанового сплава ВТ9. С увеличением Caи Rшероховатость поверхности возрастает по линейной зависимости. Максимальное значение шероховатости соответствует углу атаки а =90°. Результаты моделирования формирования микрорельефа поверхностного слоя при струйной ГАО хорошо согласуются с экспериментальными данными
Для подтверждения теоретических зависимостей были проведены экспериментальные исследования формировании микрорельефа поверхностного слоя при струйной ГАО. которые осуществлялись в два этапа. На первом этапе определялась шероховатость поверхности, соответствующая зернистости абразивного материала при данных условиях обработки. Для получения эмпирических зависимостей шероховатости поверхности от параметров обработки исследовании проводились на тех же образцах, которые использовались при определении производительности струйной ГАО и были обработаны в соответствии с методикой центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка. В качестве параметра оптимизации в данном случае было выбрано среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии. Исходная шероховатость поверхности образцов Ramax равная 0,15... 0,2 мкм, была заведомо меньше шероховатости, которую можно было получить при любых сочетаниях параметров обработки, т. с. не оказывала влияния на формирование микрорельефа поверхности.
На втором этапе было исследовано влияние исходной шероховатости на состояние поверхности после струйной ГАО. При этом был реализован случай, когда обработка происходит с уменьшением исходной шероховатости. Эксперименты были проведены на образцах из ВТ9, ЭИ961, ЖС6Ф, которые в зависимости от исходной шероховатости были разделены на следующие группы: Ra исх=0,15...0,2 мкм, Ra исх= 0,3...0.4 мкм; Ra исх = 0,5...0,6 мкм; Ra исх =0.7...0,8 мкм; Ra исх = 0,9.1,0 мкм; Ra исх= I.I...1.25 мкм; Ra исх= 1,4.-l.6 мкм; 1.8...2,0 мкм; Ra исх= 2,2...2,5 мкм; Ra исх =2,7...3,0 мкм. Заданные значения шероховатости поверхности образцов были получены шлифованием с последующей ручной доводкой (если это было необходимо) на чугунных плитах абразивами различной зернистости. В процессе исследований были проведены серии однофакторных экспериментов с целью получения зависимостей шероховатости поверхности от времени обработки при различной исходной шероховатости, а также для определения минимального времени, необходимого для достижения шероховатости, соответствующей данной зернистости абразивного материала. Параметры обработки принимались следующими: абразивный материал электрокорунд 24А зернистости М20; М40; М6З; 8; 10; К=20%; pn*= = 0,1...0,5 МПа; L=50... 150 мм; α= 15...900; T=0...300 с. Интенсивность формирования микрорельефа поверхности при струйной ГАО зависит от количества абразивных частиц, воздействующих на единицу обрабатываемой площади в единицу времени. При прочих равных условиях увеличение площади будет приводить к увеличению времени, необходимого для достижения заданного значения шероховатости. Поэтому для сопоставимости результатов во всех экспериментах площадь обрабатываемой поверхности была постоянной (3000 мм2)при любых сочетаниях варьированных параметров обработки.
В результате экспериментальных исследований получены эмпирические формулы для расчета шероховатостей поверхности, которые имеют следующий вид:
:
Исследования показали, что зависимость шероховатости обработанной поверхности от размеров абразивных частиц является линейной (рис. 3.20). С увеличением зернистости абразивного материала высота микронеровностей резко возрастает, так как увеличиваются размеры лунок, оставляемых на обрабатываемой поверхности абразивными частицами. Подтверждением этому служат профилограммы поверхностей, обработанных абразивными материалами различной зернистости (рис. 3.21). Для каждого размера абразивных частиц существует максимально достижимое (при данных условиях обработки) значение шероховатости поверхности. Значения шероховатости поверхности, которые могут быть получены в результате обработки абразивными мате риалами различной зернистости, приведены в табл. 3.2.
На рис.3.22 представлены графики зависимости шероховатости от давления воздуха на входе в активное сопло. С увеличением р* от 0,1 до 0,5 МПа значения Rас увеличиваются примерно на 30...60 % независимо от зернистости абразива, причем в этом диапазоне давлений зависимости Rа от р* носят линейный характер. С увеличением расстояния от среза смесительного сопла до обрабатываемой поверхности в интервале 50...150 мм шероховатость уменьшается примерно на 40...45 % (рис. 3.23), что объясняется снижением скорости движения абразивных частиц. Зависимость шероховатости поверхности от угла атаки а носит ступенчатый характер. С увеличением а от 15 до 45° шероховатость поверхности увеличивается, а затем не изменяется (рис. 3.24). С увеличением о от 15 до 45° глубина внедрения hmax увеличивается более чем в 3,5 раза. В интервале а = 45...90° изменение hmax не превышает 30%, при этом размеры площадки контакта абразивной частицы с поверхностью увеличиваются всего на 15 %. Поэтому при изменении aот 45 до 90° шероховатость поверхности практически не изменяется. Проведенные эксперименты доказали, что нет существенных различий в значениях шероховатости, полученных при обработке образцов из материалов ВТ9, ВТ20, ЖС6Ф, Э437Б, Э961 (разброс значений шероховатости не более 5%),
что по-видимому, объясняется близкими значениями глубин внедрения абразивных частиц.
На рис. 3.20, 3-22...3.24 штриховыми линиями показаны графики, подученные в результате математического моделирования процесса формирования микрорельефа обрабатываемой поверхности. Теоретические и экспериментальные зависимости хорошо согласуются между собой, разброс значений не превышает 17...22 %, что является вполне удовлетворительным для такого сложного процесса обработки.