Моделирование процесса ультразвукового пластического деформирования конструкционной рессорно-пружинной стали по схеме УЗО

Сталь 70.

1.  Характеристика области применения и свойств обрабатываемого материала.

Сталь конструкционная рессорно-пружинная.

Химический состав в % материала:

Твердость НB*10^-1=252 МПа, Предел прочности Предел текучести Коэффициент Пуассона k=0,29; Модуль упругости Е = 2Е+11 Па;  Динамическая твердость НD*10^-1= 1,5*252 =378 МПа; Плотность стали     δ = 7,8 кг/м³. Применение: рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, а также износостойкость.

2.  Моделирование процесса ультразвукового пластического деформирования по схеме УЗО

2.1.  Характеристика технологии УЗО

Ультразвуковая обработка (УЗО)

Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка осуществляется путём прижатия колеблющегося торца излучателя-индентора к поверхности обрабатываемого изделия, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение, таким образом, по всей поверхности, которую необходимо обработать.

Назначение

Финишная обработка наружных, внутренних, торцевых, плоских и фасонных поверхностей.

Область применения

Применяется практически во всех отраслях промышленности и ремонтных мастерских, использующих металлообрабатывающее оборудование.

Преимущества

Получение высокого класса чистоты, упрочненного поверхностного слоя, снятие остаточных внутренних растягивающих напряжений, формирование сжимающих напряжений.

Износостойкость деталей, обработанных методом УЗО, в два-три раза выше, чем после шлифования. 

2.2.   Описание модели УЗО.

Рис. 1. Схема упрочняюще-отделочной обработки ультразвуковым инструментом (УЗО):

Р — динамическая сила; Рст статическая сила; А - амплитуда смещения рабочей части инструмента; r - радиус сферы рабочей части инструмента; S - продольная подача; Sv — относительная подача за один период колебаний инструмента; Ss — продольная подача за один период колебаний; V — окружная скорость заготовки; V1 — колебательная скорость рабочей части инструмента; D - диаметр обрабатываемой детали.

2.3.  Входные данные.

D = 5 мм. Диаметр деформатора.

А = 7,6 мкм. – Амплитуда колебаний.

R_z.исх = 2 мкм – шероховатость материала до обработки.

F_min = параметр.

d = 60 мм. – Диаметр обрабатываемой детали.

L = 66 мм. – Длина обрабатываемой детали.

f = 20кГц. – Частота колебаний.

R_a = 0,15 мкм. – Требуемый параметр шероховатости.

2.4.  Распечатка результатов расчета по программе

2.5.  Номограмма режимов УЗО.

Q, градусы	A, мкм	Fct, Н	hmax, мкм	hza, мкм	h, мкм
47	7,6	1,1	2,03	1,85	0,18
53	10	0,96	2	1,88	0,12
54,5	11	0,93	2,03	1,91	0,12
57,5	13	0,85	2,03	1,93	0,1
60	15	0,78	2	1,93	0,07

2.6.  Расчет необходимых режимов обработки и основного времени.

2.6.1.  Определить остаточную глубину отпечатка, соответствующую заданному значению шероховатости  h = 4*Ra, выбрать на номограмме режим, обеспечивающий значение h ближайшее к рассчитанному.

            Заданный параметр шероховатости R_a = 0,15 мкм. Такая шероховатость будет при остаточной глубине отпечатка равной h = 4*R_a = 4 * 0,15 = 0,6 мкм. Соответственно по номограмме выбираем режим F_st = 1,1 Н, А = 7,6 мкм, h=0.18мкм, максимально приближеный к заданной шероховатости.

2.6.2.  Рассчитать параметр Х по формуле для значения h, соответствующего выбранному режиму:

2.6.3.  Рассчитать величину подачи S = 2* Х.

S = 2*0,034 =0,068мм/об.

2.6.4.  Рассчитать величину скорости обработки  V=|S|* f , где f - частота колебаний

V= |S|* f = 0,068*10^-3* 20*10³ *60= 81,6 м/мин

2.6.5.  Рассчитать число оборотов детали  n = 1000*V/( π *d),

                                                           где d - диаметр детали, π = 3,14

                                   n = V/(π*d) = 81,6/(3,14*0,060)= 433об/мин

2.6.6.  Рассчитать основное время to = L /(S*n) , где L - длина обрабатываемой поверхности.

t₀ = 66/(0,068*433)=2,24 мин.

2.7.  Вывод: Проведя анализ УЗО можно заключить, что достижение заданных параметров качества поверхностного слоя R_a = 0,15 возможно при: начальном угле Q₀ принять равным 47⁰,  амплитуде колебаний А =7,6 мкм, Fst = 1,1 Н, скорости вращения шпинделя n = 433 об/мин, подаче S = 0,068 мм/об. (в зависимости от станка округлять в меньшую сторону). Максимальная глубина внедрения деформатора перекрывает величину исходного параметра шероховатости, что позволяет получить равномерную форму впадин. 

Задание на 2 часть РГР.

1. Рассчитать параметры очага деформации (глубину h_s и интенсивность деформации e_i,0) для режима УЗО, установленного в первой части РГР.

h_s = 2,93*10^-4  м.

e_i0 = 1,41*10­^-2

2.  Определить толщину пластины S (2∙h_s  ≤  S  ≤ 30 мм), при которой параметры очага деформации, рассчитанные в пункте 1, обеспечивают формирование в пластине напряженно-деформированного состояния, характеризующегося тем, что граница раздела между сжимающими и растягивающими остаточными напряжениями расположена в центре толщины пластины или максимально близко к этому.

0,74 мм  ≤  S  ≤ 30 мм исходя из этого условия примем S = 3.2 мм. В пластине такой толщины, сжимающие и растягивающие напряжения распределятся поровну.   В подтверждение этого смотреть график ниже, показывающий распределение остаточных напряжений.

3.  Рассчитать степень упрочнения поверхностного слоя детали при выбранных параметрах УЗО по формуле:Δσ_в = (σ_в – σ_{rz max}) / σ_в

Δσ_в = (910 + 590) / 910 = 1,64