выпускная квалификационная работа по шероховатости. Князев П.В._МТМп-1602а. Исследование фрактальных характеристик топографии поверхности после ультразвуковой упрочняющей обработки
 Скачать 320.18 Kb.
|
|
Методы количественной оценки топографии поверхностей с помощью аппарата фрактальной геометрии В последнее время для оценки шероховатости поверхности применяется теория фракталов и фрактальной размерности [1, 13, 19, 20]. Применение фрактального анализа к оценке шероховатости микрорельефа обработанных поверхностей рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых М.И. Кулака, В. С. Ивановой, М.А. Измеровым, С.Н. Кульковым, С.А. Клименко, В.И. Курдюковым, П.С. Лабутиным, П.М. Огаром, О.В. Опрышко, C.Q. Yuan , J. Li, X.P. Yan, Z. Peng, D.J. Whitehouse, T. K. Barman1, P Sahoo, V. Hotař. В этих работах профиль шероховатой поверхности представляется как фрактальная структура, позволяющая оценить шероховатость поверхности независимо от формы ее элементов и плотности их распределения. Анализ работ в области оценки микропрофиля поверхности с помощью фрактальной геометрии показал перспективность данного научного направления. Методы обработки концентрировнными потоками энергии [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] вносят существенные изменения в формирование топографии поверхности. Для таких случаев применение классических геометрических показателей для количественной оценки микрогеометрии поверхности является не информативным и, таким образом, требуются новые, более совершенные методы оценки топографии поверхности. Одним из перспективных направлений в этой области является применение фрактальной геометрии. При этом поверхность рассматривается как фрактальная (дробная) структура и в тоже время состоящая их мельчайших самоподобных «конструктивных» элементов. Такая оценка позволяет выявить возможный самоподобный элемент, а представление всей поверхности будет являться как результат повторения этого элемента, причем это «повторение» может иметь определенную закономерность. «Понятие «фрактала» впервые введенное Мандельбротом [19]— математическое множество, обладающее свойством самоподобия, то есть однородности в различных шкалах измерения (любая часть фрактала подобна всему множеству целиком). В математике под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющие дробную метрическую размерность (в смысле Минковского или Хаусдорфа), либо метрическую размерность, отличную оттопологической, поэтому их следует отличать от прочих геометрических фигур, ограниченных конечным числом звеньев [19]». Рисунок 3. – Построение ковра Серпинского с помощью фракталов [19]. В зависимости от объекта исследования различают расчет фрактальной размерности шероховатого профиля, т.е. 2D фрактальной структуры и расчет фрактальной размерности шероховатой поверхности – 3D фрактальной структуры [13]. Для расчета фрактальной размерности 2D профиля применяют следующие методы: критериальный метод (yardstick method), , вариационный метод (variation), метод структурных функций (the structure function), метод «презиционного» анализа (Precision analysis) и метод, основанный на анализе мощности спектра изучаемой фрактальной структуры (power spectrum method). Для расчета фрактальной размерности поверхности (3D структура) известны такие методы как метод покрытий (box counting), Slit island method (SIM) (метод островного разреза), а также метод «презиционного» анализа (Precision analysis). Принцип расчета фрактальных характеристик 2D и 3D структур с использованием выше перечисленных методов схематично представлен на рис. 4. а) б) Рисунок 4. – Схема расчета фрактальных характеристики 2D (а) и 3D (б) структур Фрактальность обработанных поверхностей, особенно после интенсивной механической обработки, предполагает возможность кластерного механизма формирования поверхности. При этом сама поверхность рассматривается как самоподобная, иерархически упорядоченная на определенном уровне, структура. Такая модель позволяет не только прогнозировать механизмы формирования шероховатости и физико-механических свойств поверхностного слоя, но и управлять ими [13]. Выводы по разделу На основе проведенного аналитического обзора можно сделать вывод, что, во-первых, современные технологии обработки поверхностей пока еще не имеют четко установленных нормативов, особенно при использовании дополнительных ультразвуковых источников энергии и их оценки, и, во-вторых, необходимы новые подходы в оценке микрогеометрии поверхности и одним из таких подходов может быть использование теории фракталов. Методика экспериментальных исследований Оборудование, инструмент и оснастка Для проведения экспериментальных исследований использовали токарный станок с ЧПУ модели 16Б16П (рис 5.), оснащенным устройством для ультразвуковой упрочняющей обработки. На станке производили предварительную обработку черновым и чистовым точением и алмазным выглаживанием. Рисунок 5. – Модернизированный токарный станок с ЧПУ мод. 16П16Т1С1 В револьверной головке станка размещали ультразвуковую головку для выглаживания, изображенную на рис. 6. Инструментами для ультразвуковой упрочняющей обработки служили алмазные наконечники 1 (ТУ2-037-100-84Е, исполнения I, II) со вставками из природного алмаза со сферической рабочей частью радиусами R =3 мм, соединенные через резьбу с переходником (рис. 7.). Рисунок 6. – Конструкция ультразвуковой головки для выглаживания. Переходник с помощью резьбы закрепляли на рабочем торце концентратора-волновода ультразвуковой головки. а б Рисунок 7. – Инструмент для УЗ-выглаживания: а) схема инструмента: 1 – выглаживатель ТУ2-037-100-84Е, 2 – переходник; б) фотографии инструментов Образцы для исследований и режимы обработки В качестве образов применяли специально изготовленные цилиндрические кольца (рис. 8) из следующих материалов: из жаропрочной коррозионностойкая стали 12Х18Н10Т (HB 220) и закаленной стали ХВГ (НRC 60…63).
Обработку всех образцов производили по плоской торцовой поверхности с целью исключения влияния кривизны поверхности в случае обработке по цилиндрической поверхности. Методы и режимы обработки образцов. Предварительную обработку образцов осуществляли шлифованием на плоскошлифовальном станке и твердым точением. Режимы и условия обработки приведены в таблице 3. Режимы предшествующей обработки шлифованием и точением выбирали исходя из рекомендованных для данных марок материала. Образцы из стали ХВГ после токарной обработки подвергались термической обработки – закалкой до твердости 60…63 единиц по HRC. После закалки образцы подвергались плоской шлифовки. Таблица 3. - Применяемый инструмент и режимы механической обработки образцов
После обработки каждого образца производили измерение шероховатости торцовой поверхности, построение ее профиллограммы и ее фотографирование на оптическом микроскопе. В ходе экспериментального исследования устанавливали корреляционную зависимость между параметрами шероховатости и величиной фрактальной размерности. 2.3. Методика измерения шероховатости обработанных образцов Измерение шероховатости образцов производилось на профилометре-профилографе Mitutoyo Surftest SJ-210 (рис. 9, 10), качественная оценка топографии образцов выполнялась на оптическом микроскопе Axiovert 40MAT. Измерение каждого образца повторяли 5 раз и фиксировали среднее значение показателей шероховатости. Полученные профилограмы каждого образца использовали в качестве статистических данных. Рисунок 9. – Процесс измерения при помощи прибора SJ-210, подключение к дополнительному оборудованию. Рисунок 10. – Процесс измерения шероховатости профилометром- профилографом Mitutoyo Surftest SJ-210 2.4 Выводы по разделу Разработанная методика экспериментальных исследований охватывает максимально возможное количество факторов и позволяет адекватно оценить микрогеометрию поверхности с применением теории фракталов Результаты экспериментальных исследований формирования шероховатости поверхности в процессе механической обработки Результаты исследования предварительной обработки образцов Учитывая технологическую последовательность обработки образцов с целью выявления закономерностей каким образом изменяется микрогеометрия поверхности и, соответвенно, ее фрактальная размерность, представление результатов экспериментального исследования также будем представлять поэтапно после шлифования, точения и выглаживания. Так, на рис. 12 и 13 представлены результаты измерения и фотографирования шероховатости поверхности образцов после обработки шлифованием. Как следует из анализа рисунков сформированная топография поверхности образцов характерна для абразивной обработке, когда на поверхности наблюдаются следы от микрорезания абразивными зернами. Анализ данных показывает, что условия шлифования и состояние шлифовального круга оказывают существенное влияние на показатели шероховатости поверхности. Так, например, из сравнения результатов топографии поверхностей, обработанных обычным шлифованием (ОШ) и ультразвуковым шлифованием (УЗШ) следует, что для поверхностей после УЗШ наблюдаются синусоидальные риски, обусловленные дополнительным, осциллирующим движением шлифовального круга при наложении на него ультразвуковых колебаний. Также стоит отметить, как следует из анализа таблицы 5, статистические количественные показатели шероховатости поверхности после различных условий шлифования также отличаются.
Таблица 5. – Результаты измерения шероховатости поверхности образцов Результаты исследований после различных методов механической обработки На рис. 14 представлены результаты измерения шероховатости поверхности образцов после обычного (ОВ) и ультразвукового выглаживания (УЗВ). Рисунок 14. – Значение среднеарифметического отклонения профиля поверхности (параметр Ra) после обработки шлифованием, обычным (ОВ) и ультразвуковым (УЗВ) Из рис. 14 следует, что процесс упрочняющей обработки как с наложением УЗК, так и без них, способствует снижению шероховатости поверхности практически в два раза по сравнению с исходной шероховатостью после шлифования. а) б в) г) д Рисунок 15. – Профилограммы и фотоснимки поверхностей образцов после шлифования (а), обычного (ОВ) и ультразвукового (УЗВ) выглаживания (б – д): б) ОВ с усилие2м4 0,1 Мпа; в)УЗВ с усилием 0,1 Мпа; Наложение на выглаживающий инструмент ультразвуковых колебаний приводит еще к более существенному сглаживанию микронеровностей в результате действия дополнительной знакопеременной нагрузки от колеблющегося инструмента (рис. 15). Сравнительный анализ фотографий поверхности показывает существенную разницу при различных методах обработки. Причем интересно отметить, что различия наблюдаются как в текстуре поверхности, так и профилограммах. На рис. 16 представлены трехмерные топографии поверхностей после твердого точения, обычного и ультразвукового выглаживания, полученные с помощью лазерного сканирующего микроскопа. а б а б в в Рисунок 16. – Трехмерная топография поверхностей после твердого точения (а), обычного выглаживания (б) и ультразвукового выглаживания (в) На рис. 17 представлены фотоснимки топографии поверхностей образцов, обработанных твердым точением, шлифованием, обычным и ультразвуковым выглаживанием» [16, 17].
Как следует из анализа фотографий и профиллограм ультразвуковое выглаживание позволяет полностью сгладить исходный профиль, оставшийся после предыдущей обработки. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||