выпускная квалификационная работа по шероховатости. Князев П.В._МТМп-1602а. Исследование фрактальных характеристик топографии поверхности после ультразвуковой упрочняющей обработки
 Скачать 320.18 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт машиностроения (наименование института полностью) Кафедра Нанотехнологии, материаловедение и механика (наименование) 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов (код и наименование направления подготовки, специальности) Современные материалы и технологии их производства (направленность (профиль) / специализация) ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА (БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА) на тему Исследование фрактальных характеристик топографии поверхности после ультразвуковой упрочняющей обработки
Тольятти 2020 Аннотация Князев Павел Валерьевич: Исследование фрактальных характеристик топографии поверхности после ультразвуковой упрочняющей обработки Кафедра «Нанотехнологии, материаловедение и механика», ТГУ, Тольятти, 2020 В работе выполнен аналитический обзор методов качественной и количественной оценки микрогеометрии и топографии поверхностей после различных способов технологической обработки, произведен анализ влияния показателей микрогеометрии поверхностей на ее эксплуатационные характеристики. Проанализированы современные методы оценки поверхностей на основе аппарата фрактальной геометрии. В ходе выполнения работы были спланированы и выполнены экспериментальные исследования по изучению формирования шероховатости поверхности и специфики ее топографии после различных методов обработки, в том числе и комбинированных с применением дополнительной энергии ультразвука. С применением теории фракталов рассчитаны фрактальные характеристики обработанных поверхностей и установлены корреляционные связи фрактальных параметров с параметрами микрогеометрии поверхностей. Abstract The paper provides an analytical review of the methods of qualitative and quantitative assessment of microgeometry and surface topography after various processing methods, analyzes the influence of microgeometry of surfaces on its operational characteristics. The modern methods of surface evaluation based on the apparatus of fractal geometry are analyzed. In the course of the work, experimental studies were planned and carried out to study the formation of surface roughness and the specifics of its topography after various processing methods, including those combined using additional ultrasound energy Using the theory of fractals, the fractal characteristics of the treated surfaces are calculated and correlation relationships of fractal parameters with the parameters of surface microgeometry are established. Содержание Аннотация 2 Введение 5 Методы количественной и качественной оценки поверхностей деталей машин после механической обработки 7 Анализ параметров, характеризующих состояние качества поверхности деталей машин 7 Анализ влияния микрогеометрии поверхности на ее эксплуатационные показатели 10 Методы количественной оценки топографии поверхностей с помощью аппарата фрактальной геометрии 12 Методика экспериментальных исследований 16 Оборудование, инструмент и оснастка… 16 Образцы для исследований и режимы обработки 18 2.3. Методика измерения шероховатости обработанных образцов 20 Результаты экспериментальных исследований формирования шероховатости поверхности в процессе механической обработки 21 Результаты исследования предварительной обработки образцов 21 Результаты исследований после различных методов механической обработки 23 Результаты расчета фрактальной размерности обработанных образцов.28 Методика расчета фрактальной размерности 28 Расчет фрактальной размерности по результатам обработки оптических изображений топографии поверхностей 28 Расчет фрактальной размерности по результатам статистической обработки профиллограм. 31 Результаты расчета фрактальной размерности обработанных поверхностей 33 Заключение 46 Список используемой литературы 47 Введение Состояние поверхности деталей машин и механизмов, формируемой в процессе технологии изготовления является важнейшим параметром, оказывающим влияние на эксплуатационные характеристики изделий машиностроения. При этом, наряду с обеспечением точности изготовления и создания необходимых физико-механических свойств, важно обеспечивать формирование определенной микрогеометрии поверхности. Традиционно состояние поверхности после обработки характеризуется качественными признаками – видом профилограммы и количественными показателями – среднеарифметическим отклонением профиля, максимальной высотой неровностей, средним шагом неровностей профиля, опорной кривой профиля и т.д. В настоящее время микрогеометрия поверхности рассматривается как статистический объект, сформированный в результате «следа» от траектории перемещения инструмента. Вместе с тем в процессе механической обработки формирование обработанной поверхности происходит не только в результате «копирования» геометрии инструмента, а в процессе сложного и взаимосвязанного воздействия всей совокупности физико-химических процессов, обуславливающих формирование поверхностного слоя, в том числе и обработанной поверхности. В связи с чем формирование микрогеометрии поверхности целесообразно рассматривать как динамическую систему, находящуюся в сложной взаимосвязи формирования всей совокупности свойств поверхностного слоя при обработке. Таким образом, применение стандартных показателей шероховатости для адекватной количественной оценки микрогеометрии поверхности является недостаточным. Кроме того, обеспечение заданной микрогеометрии поверхностей является актуальным и при освоении современных технологических методов обработки концентированными потоками энергии (электрофизическая, электрохимическая, ультразвуковая, лазерная, ионно-лучевая и т.д.), при которых формируется микрорельеф сложной геометрической формы. Применение стандартных показателей для оценки такого микрорельефа представляется малоэффективным, а некоторых случаях практически невозможным. В связи с чем, необходимы новые подходы для адекватной количественной оценки микрорельефа обработанных поверхностей. В последнее время в отечественной и зарубежной научной литературе встречаются исследования микрорельефа поверхностей с помощью фрактальной геометрии. Анализ этих работ показывает эффективность применения теории фракталов для адекватной оценки шероховатости поверхности. Однако, исследований в этом направлении недостаточно – не в полной мере освещены вопросы корреляционной связи стандатрных показателей шероховатости поверхности с ее фрактальными характеристиками, осутствуют исследования фрактальных характеристик поверхностей после комбинированной обработки. Методы количественной и качественной оценки поверхностей деталей машин после механической обработки Анализ параметров, характеризующих состояние качества поверхности деталей машин Существенный вклад в разработку научных основ технологического обеспечения показателей шероховатости поверхности и установлении их взаимосвязи с эксплуатационными характеристиками внесли отечественные и зарубежные ученые В. Ф. Безъязычный, А. А. Маталин, Э. В. Рыжов, А. Г. Суслов, И.В. Крагельский и др. [2, 4, 14] В этих работах установлены причинно-следственные связи формирования показателей шероховатости поверхности с режимами механической обработки и с условиями эксплуатации, разработаны модели шероховатых поверхностей, отмечена роль показателей шероховатости поверхности в обеспечении износостойкости деталей машин. Однако, как отмечают сами авторы, для моделирования процессов технологического обеспечения заданных показателей микрогеометрии поверхности и назначения рациональных режимов обработки наличие сведений только о стандартизированных показателях шероховатости в виде Ra, Rz недостаточны, а технологическое обеспечение заданной опорной кривой профиля поверхности вообще не регламентируется. Кроме того, при моделировании шероховатости поверхности используются простые геометрические формы в виде конуса, сферы, цилиндра, не отражающие реальный профиль поверхности. Поверхность детали формируется в технологическом процессе ее изготовления [2, 5, 15], при этом для оценки топографии поверхностей в настоящее время пользуются такими количественными показателями как макроотклонения, волнистость, шероховатость и субшероховатость [2]. На рис. 1. представлена типовая профиллограмма поверхности с указанием количественных геометрических показателей. Рисунок 1- Профилограмма поверхности В соответствие с действующим ГОСТ 2789 – 73 для количественной оценки топографии поверхности применяются такие стандартные параметры как среднеарифметическое отклонение профиля; высота неровностей профиля по десяти точкам; наибольшая высота профиля; средний шаг неровностей профиля; средний шаг местных выступов профиля; относительная опорная длина профиля. Стоит отметить, что в настоящее время технологические методы обработки поверхностей «унифицированы» относительно достижения стандартных показателей микрогеометрии. Кроме стандартизированных характеристик микрогеометрии применяются и другие показатели, оказывающие влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. К ним относятся следующие: средне квадратическое отклонение профиля; высота сглаживания профиля шероховатости; глубина сглаживания профиля шероховатости; коэффициент заполнения профиля; параметры начального участка кривой опорной поверхности [18]. Также регламентированы геометрические параметры выступов топографии поверхности: средний радиус выступов профиля и средний радиус местного выступа профиля шероховатости (рис. 2). Таблица 1. – Соотношение значений параметров Ra, Rz, Rmax и базовой длины l по ГОСТ 2789-73.
Рисунок 2. – Модельное представление единичной неровности. Совокупность мельчайших микронеровностей (см. рис. 2.), которые накладываются на шероховатость поверхности, согласно [2], представляет собой субшероховатость. В работе [1] показано, что субшероховатость характеризует особый вид неровностей, механизм возникновения которого связан с внутренним строением металла и его дефектной структурой, формирующейся на стадиях механической обработки и эксплуатации. Анализ влияния микрогеометрии поверхности на ее эксплуатационные показатели В настоящее время в литературе имеется достаточное количество экспериментальных и теоретических данных о влиянии микрогеометрии поверхности на ее эксплуатационные характеристики [2, 4, 5, 6, 14, 15]. В таблице 2 приведены некоторые данные по влиянию вида механической обработки на качество обработанной поверхности. Для ответственных поверхностей, обрабатываемых на чистовых операциях после точения и шлифования нормируют не только высотные параметры, но и шаговые Sm, S , а так же параметр относительной опорной длины tp, так как они обеспечивают комплекс функциональных свойств (таблица 3). Таблица 2. Влияние вида обработки на качество поверхностного слоя
В работе [4] приведены данные по влиянию параметров качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин. В таблице 4 представлены данные о взаимосвязи показателей микрогеометрии поверхности с ее эксплуатационными характеристиками. Как следует из анализа таблицы практически на все эксплуатационные характеристики поверхности оказывает вся совокупность микрогеометрических показателей, количественно характеризующих топографию поверхности. Таблица 3. – Эксплуатационные свойства поверхности и обеспечивающая их номенклатура параметров шероховатости
Таблица 2. – Взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей с параметрами качества поверхности
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||