Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту

Анотація

Підвищення експлуатаційної надійності відповідальних деталей машин значною мірою визначається станом поверхневого шару, що формується на фінішних операціях. У зв'язку з цим актуальним є дослідження процесів поверхневого пластичного деформування, які дозволяють поєднати зміцнення структури із забезпеченням мінімальної шорсткості поверхні. У роботі досліджено процес формування шорсткості поверхні сталі 30ХГСА при вібраційно-відцентровому зміцненні із використанням закріплених профільованих роликів. На відміну від обробки у вільному абразиві, такий підхід  забезпечує детермінований характер процесу й технологічне успадкування геометрії інструмента на деталі з концентраторами напружень. Метою роботи є встановлення кількісних закономірностей впливу технологічних чинників: часу обробки (t), амплітуди коливань (A) й робочого зазору (Z) на середньоарифметичне відхилення профілю R_a. Для вирішення задачі застосовано методологію повного факторного експерименту типу 2³ із логарифмічним перетворенням вхідних змінних, що дозволило лінеаризувати степеневу модель і забезпечити високу точність апроксимації. Статистичний аналіз за критеріями Кохрена, Стьюдента та Фішера підтвердив адекватність моделі й допоміг виявити, що домінуючим чинником виступає робочий зазор (Z). Виявлено негативний ефект надмірної тривалості обробки (понад 8 хв для сталі даного класу), що призводить до зростання R_a внаслідок мікровтомного руйнування й явища перенаклепу поверхневого шару. За допомогою методу крутого сходження Бокса-Вілсона визначено оптимальну траєкторію руху у просторі факторів, яка дозволяє забезпечити зниження шорсткості з 6,45 мкм до прогнозованого рівня 1,68 мкм. Отримана модель (R=0,998) має високу прогностичну здатність і може бути використана як математичне підґрунтя для алгоритмізації фінішних операцій зміцнення й розробки систем технологічної підготовки виробництва. Отримані результати дозволяють обґрунтувати раціональні режими вібраційно-відцентрового зміцнення профільованим інструментом, що забезпечує формування стабільного мікрорельєфу і створення залишкових напружень стиску. Це сприяє підвищенню експлуатаційної довговічності й втомної міцності деталей із концентраторами напружень.