Губин Тимур Игоревич

Актуальность работы

        Надежность и долговечность машин и механизмов во многом зависят от качества поверхностных слоев деталей. Это объясняется тем, что поверхностный слой металла оказывается наиболее нагруженным и является носителем конструктивных, технологических и эксплуатационных концентраторов напряжений, отрицательно влияющих на усталостную прочность детали. Кроме того, поверхностный слой металла, являясь граничным слоем между трущимися частями деталей машин, подвержен износу.

        Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости необходимо применять такие методы обработки, которые наряду с улучшением микрогеометрии поверхности детали изменяли бы в нужном направлении структуру, физико-механические свойства и напряженное состояние поверхностного слоя.

        Одним из эффективных методов повышения эксплуатационных свойств деталей машин является калибрующе-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД). При обработке этим методом обеспечивается достижение минимальной шероховатости поверхности и улучшение физико-механических свойств поверхностного слоя. Но в связи со все более широким внедрением в производство размерно-чистовой и упрочняющей обработки методом ППД особое значение приобретает создание способов совмещенной обработки поверхностей резанием и ППД, позволяющих одновременно производить обработку резанием под накатывание и само накатывание или выглаживание при помощи комбинированных инструментов.

        Однако совмещенные способы обработки резанием и ППД не нашли еще достаточно широкого применения в производстве, что связано с отсутствием теоретических и экспериментальных исследований и необходимого практического опыта, на основании которых могли быть выработаны определенные положения и рекомендации по созданию совмещенных способов и проектированию комбинированного инструмента (КИ) для их осуществления.

        Поэтому вопросы применения, разработки и совершенствования КИ остаются наиболее актуальными в современном машиностроительном производстве, т. к. такая обработка обеспечивает как значительное снижение трудоемкости за счет совмещения операций, так и высокое качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

Цель и задачи работы

        Цель работы — повышение качества поверхностного слоя и производительности обработки деталей типа тел вращения на основе применения комбинированной обработки точением и ППД путем разработки методики определения оптимальных параметров комбинированной обработки и совершенствования конструкций КИ.

        Основными задачами работы являются:

разработка и выбор рациональных конструкций КИ для совмещенного точения и выглаживания деталей типа тел вращения.

Обзор существующих исследований

       В развитие методов совмещенной обработки резанием и ППД большой вклад внесли работы П. С. Чистосердова, Г. М. Азаревича, А. М. Кузнецова, В. М. Смелянского, Ю. Г. Шнейдера и др. Так, например, П. С. Чистосердовым [9,10,11] был разработан целый ряд КИ для совмещенной обработки точением и ППД наружных и внутренних цилиндрических и плоских поверхностей. На современном этапе исследования по применению КИ проводятся в Российско-Беларусском университете в г. Могилеве.

       На данный момент произведено большое количество исследований по вопросу закономерностей формирования поверхностного слоя деталей машин. Выполнен анализ многочисленных факторов, влияющих на параметры поверхностного слоя деталей машин, установлены взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки, выявлены пути управления качеством поверхности. Методу выглаживания поверхностей посвящен ряд работ Э. Г. Грановского, Л. А. Хворостухина [12], В. М. Смелянского, В. М. Торбило [13] и др.

       В настоящее время имеется большое число математических зависимостей для определения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений, описанных а работах Крагельского И. В. [6,7], Михина Н. М. [8].

Научная новизна работы

       Научная новизна заключается в разработке методики определения оптимальных параметров комбинированной обработки тонким точением и алмазным выглаживанием. Так же в работе решается проблема выбора оптимальных конструкций для комбинированной обработки точением и ППД, обеспечивающих наилучшее качество поверхностного слоя после обработки и универсальность применения.

Обработка алмазным выглаживанием и тонким точением

       Обработка металлов ППД основана на свойстве тонкого поверхностного слоя и микронеровностей пластически деформироваться под действием приложенного к деформирующему элементу усилия.

       Сущность обработки ППД состоит в том, что под давлением деформирующего элемента (ролик, шарик, алмазный выглаживатель и т. д.) металл выступов микрогребешков в месте контакта с деформирующим элементом сминается и перемещается впереди и сзади элемента, затекая в смежные впадины и выдавливая металл из впадин вверх (рис. 1). Образуется новая поверхность с микронеровностями, форма, высота и шаг которых определяются основными параметрами режима накатывания. В результате ППД шероховатость поверхности уменьшается на два - четыре класса при обработке стали и на один - два класса — при обработке чугуна.

Рисунок 1 - Схема образования поверхностного слоя при выглаживании: 1 – твердый скользящий инструмент; 2 – упруговосстановленный слой металла; 3 – слой пластически деформированного металла; 4 – зона обрабатываемого тела, скорость которого равна скорости детали; V – скорость деформируемого слоя; F – касательная сила; , – нормальные напряжения.

       Особенностями микропрофиля, полученного при обработке выглаживанием, являются: значительная однородность микронеровностей как по форме, так и по высоте; большая величина отношения шага микронеровностей к их высоте; особая форма микрогребешков; геометрическая зависимость между высотой выступов микронеровностей, величиной подачи и геометрическими параметрами деформирующего элемента при обработке выглаживанием проявляется более четко, чем при обработке резанием. В связи с этим при обработке ППД можно достичь малых величин шероховатости даже при работе на изношенных и недостаточно жестких станках.

       При обработке ППД изменяются не только шероховатость поверхности и размеры заготовки, но практически все физико-механические свойства поверхностного слоя металла, а также его структура: повышаются твердость, пределы упругости, текучести и прочности, а также усталостная прочность металла, одновременно снижаются показатели пластичности — относительное удлинение и ударная вязкость. При этом чем выше степень деформации, тем больше глубина деформированного упрочненного слоя.

       В настоящее время одним из прогрессивных методов обработки металлов резанием является тонкое точение резцами из сверхтвердых материалов (СТМ). Технологические особенности эффективного применения инструментов из СТМ обусловлены спецификой их физико-механических свойств и высокой стоимостью. Уступая твердым сплавам по прочности, СТМ имеют значительное преимущество по твердости и термостойкости, что и определяют их высокую износостойкость при высоких скоростях резания и безударной нагрузке. Резцы предназначены для чистовой и получистовой обработки деталей из чугуна и закаленных сталей, а также из цветных сплавов на основе меди на специальных станках, станках с ЧПУ и гибких производственных модулях в условиях автоматизированного производства.

       Наиболее эффективным является применение резцов с эльборовыми пластинами. Эльбор – уникальный инструментальный материал, который совмещает высокую твердость с высокой температурной стойкостью (1300°С сравнительно с 650° С у алмаза) и химической инертностью [14]. Благодаря этим свойствам инструменты из эльбора значительно эффективнее алмазных инструментов при обработке закаленных сталей, а также жаропрочных и титановых сплавов. Высокая стоимость инструментов из эльбора с избытком перекрывается повышенной стойкостью и отсутствием брака.

       Комбинированная обработка деталей машин двумя перечисленными методами в настоящее время является весьма актуальной проблемой в машиностроении. Однако информация об особенностях комбинированной обработки тонким точением и алмазным выглаживанием практически отсутствует, хотя применение инструментов из СТМ в настоящее время является весьма эффективным способом повышения качества обработки деталей. Поэтому в дальнейшем очень важной является задача нахождения не только оптимальных параметров такой обработки, но и рациональных конструкций КИ, позволяющих обрабатывать ту или иную поверхность, обеспечивая высокую точность и шероховатость поверхностей при максимальной производительности.

Обоснование рациональных параметров комбинированной обработки тонким точением и алмазным выглаживанием

       Цель работы – разработка методики определения оптимальных параметров комбинированной обработки точением и выглаживанием, обеспечивающих заданный уровень шероховатости поверхностного слоя и максимальную производительность.

       Одной из основных задач при разработке технологических процессов изготовления деталей машин является выбор условий обработки, позволяющих получить требуемый уровень параметров состояния поверхностного слоя. При тонком точении и алмазном выглаживании наружных цилиндрических поверхностей параметр шероховатости Ra - среднее арифметическое отклонение профиля может быть определен следующим образом [2]:

где s – подача; v – скорость резания; - передний угол; r - радиус при вершине; Rzисх – исходная шероховатость при выглаживании; – максимальные напряжения на контакте; da – диаметр алмазного индентора.

       Указанные зависимости позволяют прогнозировать среднее арифметическое отклонение профиля Ra для заданных условий обработки. На их основании разработаны рекомендации по выбору режимов тонкого точения и алмазного выглаживания наружных цилиндрических поверхностей. На рисунке 2 представлены режимы обработки закаленной стали 45 (HRC 48) для переднего угла = -10 , радиуса при вершине r = 1мм, исходной шероховатости Raисх = 0.5мкм, диаметре алмазного индентора da = 5мм, максимальных напряжениях на контакте = 900МПа.

       Представленные графики позволяют учитывать одновременное влияние на параметр шероховатости Ra скорости v и подачи s. По линиям уровня, на которых числами показаны значения Ra, может оцениваться изменение шероховатости при изменении режимов резания, а также устанавливаться соотношение скорости резания и подачи, соответствующие заданным значениям параметров шероховатости.

       При комбинированной обработке тонким точением и алмазным выглаживанием параметр шероховатости Raкомб рассчитывается с учетом того, что исходным для алмазного выглаживания является параметр шероховатости, полученный при тонком точении той же поверхности при одних и тех же скоростях резания и подачах:

       Графики зависимости параметра шероховатости Rа от подачи S при тонком точении Rаточ, выглаживании Rавыгл (с постоянным значением исходной шероховатости Rаисх = const) и комбинированной обработке Rакомб представлены на рисунке 3.

       При комбинированной обработке исходной шероховатостью являются значения шероховатости, полученные при тонком точении Rаточ, то есть исходная шероховатость переменна и уменьшается с уменьшением подачи. Следовательно, параметр шероховатости Rакомб, формируемый в результате комбинированной обработки, меньше, чем при обычной отделочно-упрочняющей обработке выглаживанием при условии, что Rаточ< Rаисх. Таким образом, при комбинированной обработке для одних и тех же подач может быть достигнута меньшая шероховатость поверхностного слоя, чем при обычной отделочно-упрочняющей обработке. В том случае, когда Rаточ>Rаисх, параметр шероховатости Rакомб при комбинированной обработке становится больше, чем при обычном выглаживании, что следует учитывать при выборе параметров обработки.

       Графики двухпараметрических зависимостей параметра шероховатости Ra от скорости резания v и подачи s, представленные на рисунке 4, позволяют оценивать изменение шероховатости при изменении режимов резания при комбинированной обработке точением и выглаживанием. По линиям уровня, на которых числами показаны значения Ra, может также устанавливаться соотношение скорости резания и подачи, соответствующие заданным значениям параметров шероховатости.

       Задача выбора наилучшего сочетания скорости резания v и подачи s, обеспечивающих заданный уровень шероховатости, может быть успешно решена с использованием современных методов оптимизации режимов резания.

       Одним из наиболее распространенных методов оптимизации в настоящее время является метод линейного программирования [4], позволяющий осуществлять одновременную оптимизацию скорости резания и подачи с учетом действующих при резании ограничений по критерию максимальной производительности. Для линейной целевой функции и линейных ограничений достаточно хорошо разработан и широко используется графический метод поиска оптимальных режимов резания.

       Целевая функция - производительность обработки, максимум которой достигается при минимуме основного времени, или максимуме произведения n S max. (n, S - частота вращения и подача).

       При комбинированной обработке точением и выглаживанием рассматриваются ограничения по возможностям лезвийного режущего инструмента из сверхтвердого материала - эльбора, по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности Raдоп, по предельно допустимой температуре резания доп., а также кинематические.

       Математическая модель процесса комбинированной обработки точением и выглаживанием выражается системой линейных неравенств:

где D – диаметр обработки; C_V, K_V, x_V, y_V, m – коэффициенты и показатели степени влияния глубины t, подачи S и стойкости T на скорость резания V при лезвийной обработке тонким точением; C_R, n_R, y_R - коэффициент и показатель степени влияния скорости V и подачи S на шероховатость Ra при комбинированной обработке; C_T, x_T, y_T, n_T - коэффициент и показатели степени влияния режимов резания на температуру ; К_Т – коэффициент, учитывающий дополнительный нагрев лезвийного инструмента при комбинированной обработке; n_min, n_max, s_min, s_max - предельно допустимые частоты вращения и подачи.

       На рисунке 5 графически представлена схема определения оптимальных режимов резания (стойкость Т = 300 мин., глубина резания t = 0,5мм, шероховатость Raдоп = 0,12мкм, доп = 800С).

       Для заданных условий обработки принятые следующие коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния глубины, подачи и стойкости на скорость и температуру резания:

коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния скорости и подачи на шероховатость обработанной поверхности:

       Точка С треугольника АВС, в которой целевая функция 6 принимает максимальное значение, является точкой пересечения ограничений по возможностям инструмента (1) и допустимой шероховатости обработанной поверхности Raдоп(2); координаты точки С являются искомыми оптимальными значениями режимов. В рассматриваемом случае температурные ограничения (3) не влияют на оптимальные режимы.
       Для заданных условий механообработки определены следующие значения оптимальных режимов комбинированной обработки:

       Согласно паспортным данным станка принятые следующие режимы резания: n_опт = 250об/мин; s_опт = 0,07мм/об; v_опт = 150м/мин.
       Таким образом, в результате проведенных исследований обоснованы рациональные параметры обработки тонким точением и алмазным выглаживанием, а также разработана методика определения оптимальных параметров комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки точением и выглаживанием, обеспечивающих заданный уровень шероховатости поверхностного слоя и максимальную производительность.

Конструкции инструментов для совмещенной обработки точением и выглаживанием

       Наибольшее количество конструкций КИ разработано для совмещенной обработки резанием и ППД наружных цилиндрических поверхностей. На рисунке 6 представлена классификационная схема КИ, позволяющая систематизировать известные конструкции инструментов [9].

       Простейшей схемой такого инструмента для совмещенной обработки является сочетание обычного резца с шариковым или роликовым деформирующим элементом (элементарная низшая пара). При этом деформирующий элемент может быть связан с режущим жестко или упруго. Наиболее простой конструкцией такого типа является комбинированный инструмент с алмазным выглаживателем, представленный на рисунке 7 [13].

       В державке 1 при помощи винтов в прямоугольном пазу закрепляется резец 2, а в резьбовое отверстие державки ввертывается резьбовая втулка 3 с закрепленным в ней алмазным выглаживателем 5. Натяг деформирующего элемента создается за счет ввертывания или вывертывания втулки с алмазным выглаживателем на необходимую величину относительно вершины резца. Для фиксации выглаживателя в требуемом положении служит гайка 4. Однако данная конструкция имеет существенные недостатки.

Рисунок 8 – Схема работы комбинированного инструмента с алмазным выглаживателем

       Исходя из конструкции (рис. 7) и схемы работы инструмента (рис. 8) видно, что режущий и деформирующий элементы в процессе обработки входят в контакт с деталью последовательно. Вследствие этого в момент вступления в работу деформирующего элемента технологическая система нагружается усилием деформирования, что вызывает последовательное упругое смещение детали и инструмента, снижающее точность обработки. Кроме того инструмент такой конструкции является неуравновешенным, т. е. давление от режущего и деформирующего элементов оказывается с одной стороны детали, что также вызывает упругое смещение детали и может снизить точность обработки. Также жесткая связь режущего и деформирующего элементов не позволяет обеспечить равномерность упрочнения обрабатываемой поверхности детали вследствие возможных неточностей поверхности заготовки и погрешности базирования.

       Устранить выявленные недостатки позволяет КИ уравновешенной конструкции (рис. 9).

       В такой конструкции усилие резания и усилие деформирования частично уравновешиваются путем противоположного расположения режущего и деформирующего элементов.

       Одним из методов повышения точности совмещенной обработки деталей неуравновешенным КИ является метод предварительного нагружения технологической системы усилием деформирования, при котором до начала обработки деформирующий элемент КИ вводят в контакт с дополнительным технологическим элементом, искусственно введенным в технологическую систему и нагружают ее усилием деформирования. Так как в процессе обработки на технологическую систему действует постоянная сила, то упругих отжатий инструмента и детали не происходит.

       Перспективным является создание ротационных КИ, у которых режущие и деформирующие элементы работают на основе единого кинематического принципа — свободного вращения вокруг своих осей [11]. В этом случае режущие элементы выполняют в виде круглых самовращающихся резцов, а деформирующими элементами являются торовые ролики, имеющие с резцом общую ось вращения. Выполненные таким образом КИ (высшая элементарная пара) имеют высокую стойкость режущих и деформирующих элементов.

       В процессе выполнения работы был проведен анализ целесообразности применения комбинированной обработки точением и выглаживанием, был проведен краткий обзор существующих исследований и разработок.

       Также была обоснована целесообразность применения комбинированной обработки тонким точением и алмазным выглаживанием для закаленной стали 45 путем определения оптимальных параметров обработки, обеспечивающих необходимый уровень шероховатости поверхности и максимальную производительность. В результате доказано, что комбинированная обработка обеспечивает меньший уровень шероховатости поверхностного слоя, чем обычная отделочно-упрочняющая обработка; на примере обработки закаленной стали 45 определены значения оптимальных режимов резания для комбинированной обработки.

       В работе кратко проанализированы основные конструкции КИ с выявлением их основных недостатков.

1. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320с.

2. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.1/ А. Г. Суслов, Э. Д. Браун, Н. А. Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 256с.

3. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.2 / А. Г. Суслов, Ю. В. Гуляев, А. М. Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 430с.

4. Кроль О. С., Хмелевский Г. Л. Оптимизация и управление процессом резания. Учеб. Пособие. - К.: УМК ВО, 1991. - 140с.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 2001. – 944с.

6. Крагельский И. В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968.-480с.

7. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 256 с.

8. Михин Н. М. Внешнее трение твердых тел. - М.: Машиностроение, 1977.- 220с.

9. Чистосердов П. С. Комбинированные инструменты для совмещения процессов резания и поверхностно-пластического деформирования. – М.: НИИмаш, 1975. – 45с.

10. Чистосердов П. С., Жуковец Г. С. Комбинированные инструменты для обработки поверхностно-пластическим деформированием. – М.: НИИФОРМТЯЖМАШ, 1976. – 59с.

11. Чистосердов П. С., Жуковец Г. С. Новые конструкции инструментов для размерно-чистовой и упрочняющей обработки. Минск, «Беларусь», 1969.

12. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением / Л. А. Хворостухин, С. В. Шишкин, И. П. Ковалев, Р. А. Ишмаков. – М.: Машиностроение, 1988. – 144с.

13. Торбило В. М. Алмазное выглаживание. М., «Машиностроение», 1972. - 105 с.

14. Инструменты из сверхтвердых материалов./Под ред. Н. В. Новикова. — М.: Машиностроение, 2005 г. — 555 с.

15. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник/В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я. А. Музыкант, Г. М. Ипполитов. — М.: Машиностроение, 1987.—320 с.

16. Рудина И. А., Болотина С. Е., Ивченко Т. Г. Оптимизация режимов комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки по критерию максимальной производительности // Наука и студент - ХХI веку. - Краматорск: ДГМА, 2006. – С. 40-44.

17. Ивченко Т.Г., Дубоделова О.C. Оптимизация параметров процесса комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки // Машиностроение и техносфера на рубеже ХХ1 века. Сб. трудов Х11 межд. конф. в г. Севастополе 12-17 сентября 2005г. В 5-и томах. - Донецк: ДонНТУ, 2005. Т.2. - С.34 - 36.

18. Губин Т.И., Ивченко Т.Г.Исследование возможностей и оптимизация параметров комбинированной обработки тонким точением и алмазным выглаживанием.ИНЖЕНЕР: студенческий научно-технический журнал//Донецк: ДонНТУ, 2008. - № 9. - с. 22 - 25.
19. Губін Т.І., Івченко Т.Г. Технологічне забезпечення якості поверхонь деталей машин за рахунок визначення оптимальних режимів різання//Машинознавство. Матеріали 10-ої науково-методичної конференції 20-21 березня 2008 року. - Донецк: ДонНТУ, 2008. - с. 17 - 19.

20. http://masters.donntu.ru/2007/mech/petryaeva/diss/index.htm
    Автореферат магистерской работы Петряевой И.А. на тему: «Повышение качества обработки деталей машин с использованием комбинированных методов обработки» - Донецк, ДонНТУ, 2007.

21. http://masters.donntu.ru/2007/mech/kuznetsova/diss/index.htm
    Автореферат магистерской работы Кузнецовой А.В. на тему: «Повышение эффективности обработки деталей машин с использованием современных инструментальных материалов» - Донецк, ДонНТУ, 2007.

22. http://masters.donntu.ru/2005/mech/dubodelova/diss/index.htm
    Автореферат магистерской работы Дубоделовой О.С. на тему: «Повышение качества обработки деталей машин с использованием методов поверхностно-пластического деформирования» - Донецк, ДонНТУ, 2005.