Губін Тимур Ігорович

Актуальність роботи

        Надійність і довговічність машин і механізмів багато в чому залежать від якості поверхневих шарів деталей. Це пояснюється тим, що поверхневий шар металу виявляється найбільш навантаженим і є носієм конструктивних, технологічних і експлуатаційних концентраторів напруження, що негативно впливають на втомну міцність деталі. Крім того, поверхневий шар металу є граничним шаром між частинами деталей машин, що труться, і схильний до зносу.

        Тому для підвищення втомної міцності і зносостійкості необхідно застосовувати такі методи обробки, які поряд з поліпшенням мікрогеометрії поверхні деталі змінювали б в потрібному напрямі структуру, фізико-механічні властивості і напружений стан поверхневого шару.

        Одним з ефективних методів підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин є калібруюче-зміцнювальна обробка поверхневим пластичним деформуванням (ППД). Під час обробки цим методом забезпечується досягнення мінімальної шорсткості поверхні і поліпшення фізико-механічних властивостей поверхневого шару. Але у зв'язку зі все більш широким впровадженням у виробництво розмірно-чистової і зміцнювальної обробки методом ППД особливого значення набуває створення способів комбінованої обробки поверхонь різанням і ППД, що дозволяють одночасно проводити обробку різанням під накочення і само накочення або вигладжування за допомогою комбінованих інструментів.
        Проте комбіновані способи обробки різанням і ППД не знайшли ще достатньо широкого застосування у виробництві, що пов'язане з відсутністю теоретичних і експериментальних досліджень і необхідного практичного досвіду, на підставі яких могли бути вироблені певні положення і рекомендації по створінню комбінованих способів і проектуванню комбінованого інструменту (КІ) для їх здійснення.

        Тому питання застосування, розробки і вдосконалення КІ залишаються найбільш актуальними в сучасному машинобудівному виробництві, оскільки така обробка забезпечує як значне зниження трудомісткості за рахунок поєднання операцій, так і високу якість поверхневого шару оброблюваних деталей.

Мета і задачі роботи

        Мета роботи — підвищення якості поверхневого шару і продуктивності обробки деталей типу тіл обертання на основі застосування комбінованої обробки точінням і ППД шляхом розробки методики визначення оптимальних параметрів комбінованої обробки і вдосконалення конструкцій КІ.

        Основними задачами роботи є:

розробка і вибір раціональних конструкцій КІ для комбінованого точіння і вигладжування деталей типу тіл обертання.

Огляд існуючих досліджень

       У розвиток методів комбінованої обробки різанням і ППД великий внесок зробили роботи Чистосердова, Азаревіча, Кузнецова, Смелянського, Шнейдера та ін. Так, наприклад, П. С. Чистосердовим [9,10,11] був розроблений цілий ряд КІ для комбінованої обробки точінням і ППД зовнішніх і внутрішніх циліндричних і плоских поверхонь. На сучасному етапі дослідження по застосуванню КІ проводяться в Російсько-Білоруському університеті в м. Могильові.

       На даний момент проведена велика кількість досліджень з питань закономірностей формування поверхневого шару деталей машин. Виконаний аналіз багаточисельних чинників, що впливають на параметри поверхневого шару деталей машин, встановлені взаємозв'язки між цими параметрами під час різних методів обробки, виявлені шляхи управління якістю поверхні. Методу вигладжуванню поверхонь присвячений ряд робіт Грановського, Хворостухіна [12], Смелянського, Торбіло [13] та ін.

       ВНа теперішній час є велике число математичних залежностей для визначення експлуатаційних властивостей деталей машин і їх з'єднань, описаних в роботах Крагельського [6,7], Міхіна Н. М. [8] та ін.

Наукова новизна роботи

       Наукова новизна полягає у розробці методики визначення оптимальних параметрів комбінованої обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням. Також в роботі вирішується проблема вибору оптимальних конструкцій для комбінованої обробки точінням і ППД, що забезпечують найкращу якість поверхневого шару після обробки і універсальність застосування.

Обробка алмазним вигладжуванням і тонким точінням

       Обробка металів ППД заснована на властивості тонкого поверхневого шару і мікронерівностей пластично деформуватися під дією докладеного до деформуючого елементу зусилля.

       Суть обробки ППД полягає в тому, що під тиском деформуючого елементу (ролик, кулька, алмазний выгладжуватель та ін.) метал виступів мікрогребешків в місці контакту з деформуючим елементом мнеться і переміщається попереду і позаду елементу, затікаючи в суміжні западини і видавлюючи метал із западин вверх (рис. 1). Утворюється нова поверхня з мікронерівностями, форма, висота і крок яких визначаються основними параметрами режиму накочення. В результаті ППД шорсткість поверхні зменшується на два - чотири класи під час обробки сталі і на один - два класи — під час обробки чавуну.

Рисунок 1 – Схема утворення поверхневого шару під час вигладжування: 1 – твердий ковзаючий інструмент; 2 – пружновідновлений шар металу; 3 – шар пластично деформованого металу; 4 – зона оброблюваного тіла, швидкість якого дорівнює швидкості деталі; V – швидкість шару, що деформується; F – дотична сила; , – нормальні напруження.

       Особливостями мікропрофілю, отриманого під час обробки вигладжуванням, є: значна однорідність мікронерівностей як за формою, так і по висоті; велика величина відношення кроку мікронерівностей до їх висоти; особлива форма мікрогребешків; геометрична залежність між висотою виступів мікронерівностей, величиною подачі і геометричними параметрами деформуючого елементу під час обробки вигладжуванням виявляється чіткіше, ніж під час обробки різанням. У зв'язку з цим під час обробки ППД можна досягти малих величин шорсткості навіть при роботі на зношених і недостатньо жорстких верстатах.
       Під час обробки ППД змінюється не лише шорсткість поверхні і розміри заготівки, але й практично все фізико-механічні властивості поверхневого шару металу, а також його структура: підвищуються твердість, межі пружності, текучості і міцності, а також втомна міцність металу, одночасно знижуються показники пластичності — відносне подовження і ударна в'язкість. При цьому чим вище ступінь деформації, тим більше глибина деформованого зміцненого шару.

       На теперішній час одним з прогресивних методів обробки металів різанням є тонке точіння різцями із надтвердих матеріалів (НТМ). Технологічні особливості ефективного застосування інструментів із НТМ обумовлені специфікою їх фізико-механічних властивостей і високою вартістю. Поступаючись твердим сплавам по міцності, НТМ мають значну перевагу по твердості і термостійкості, що і визначає їх високу зносостійкість при високих швидкостях різання і безударному навантаженні. Різці призначені для чистової і напівчистової обробки деталей з чавуну і загартованих сталей, а також з кольорових сплавів на основі міді на спеціальних верстатах, верстатах з ЧПУ і гнучких виробничих модулях в умовах автоматизованого виробництва.

       Найбільш ефективним є застосування різців з ельборовими пластинами. Ельбор – унікальний інструментальний матеріал, який поєднує високу твердість з високою температурною стійкістю (1300°С порівняно з 650°С до алмазу) і хімічною інертністю [14]. Завдяки цим властивостям інструменти з ельбору значно ефективніше за алмазні інструменти під час обробки загартованих сталей, а також жароміцних і титанових сплавів. Висока вартість інструментів з ельбору з лишком перекривається підвищеною стійкістю і відсутністю браку.

       Комбінована обробка деталей машин двома перерахованими методами на даний час є дуже актуальною проблемою в машинобудуванні. Однак інформація про особливості комбінованої обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням практично відсутня, хоча застосування інструментів із НТМ на даний час є вельми ефективним способом підвищення якості обробки деталей. Тому надалі дуже важливою з'являється задача знаходження не тільки оптимальних параметрів такої обробки, але й раціональних конструкцій КІ, що дозволяють обробляти ту або іншу поверхню, забезпечуючи високу точність і шорсткість поверхонь при максимальній продуктивності.

Обґрунтування раціональних параметрів комбінованої обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням

       Мета роботи – розробка методики визначення оптимальних параметрів комбінованої обробки точінням і вигладжуванням, що забезпечують заданий рівень шорсткості поверхневого шару і максимальну продуктивність.

       Однією з основних задач під час розробки технологічних процесів виготовлення деталей машин є вибір умов обробки, що дозволяють отримати необхідний рівень параметрів стану поверхневого шару. Під час тонкого точіння і алмазного вигладжування зовнішніх циліндричних поверхонь параметр шорсткості Ra - середнє арифметичне відхилення профілю - може бути визначений таким чином [2]:

где s – подача; v – швидкість різання; - передній кут; r - радіус при вершині; Rzвих – вихідна шорсткість під час вигладжування; – максимальне напруження на контакті; da – діаметр алмазного индентора.

       Вказані залежності дозволяють прогнозувати середнє арифметичне відхилення профілю Ra для заданих умов обробки. На їх підставі розроблені рекомендації по вибору режимів тонкого точіння і алмазного вигладжування зовнішніх циліндричних поверхонь. На рисунку 2 представлені режими обробки загартованої сталі 45 (HRC 48) для переднього кута = -10 , радіусу при вершині r = 1мм, вихідній шорсткості Raвих = 0.5мкм, діаметрі алмазного индентора da = 5мм, максимальному напруженні на контакті = 900МПа.

       Наведені графіки дозволяють враховувати одночасний вплив на параметр шорсткості Ra швидкості v і подачі s. По лініях рівня, на яких числами показані значення Ra, може оцінюватися зміна шорсткості під час зміни режимів різання, а також встановлюватися співвідношення швидкості різання і подачі, що відповідають заданим значенням параметрів шорсткості.

       Під час комбінованої обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням параметр шорсткості Raкомб розраховується з урахуванням того, що вихідним для алмазного вигладжування є параметр шорсткості, отриманий під час тонкого точіння тієї ж поверхні при одних і тих же швидкостях різання і подачах:

       Графіки залежності параметра шорсткості Rа від подачі S під час тонкого точіння Rаточ, вигладжування Rавигл (з постійним значенням вихідної шорсткості Rавих = const) і комбінованої обробки Rакомб зображені на рисунку 3.

       Під час комбінованої обробки вихідною шорсткістю є значення шорсткості, що отримана під час тонкого точіння Rаточ, тобто вихідна шорсткість змінна і зменшується із зменшенням подачі. Отже, параметр шорсткості Rакомб, що формується в результаті комбінованої обробки, менше, ніж під час звичайної відділочно-зміцнювальної обробки вигладжуванням, за умови, що Rаточ< Rавих. Таким чином, під час комбінованої обробки для одних і тих же подач може бути досягнута менша шорсткість поверхневого шару, ніж під час звичайної відділочно-зміцнювальної обробки. У тому випадку, коли Rаточ>Rавих, параметр шорсткості Rакомб після комбінованої обробки стає більше, ніж після звичайного вигладжування, що слід враховувати під час вибору параметрів обробки.

       Графіки двохпараметричних залежностей параметра шорсткості Ra від швидкості різання v і подачі s, що представлені на рисунку 4, дозволяють оцінювати зміну шорсткості під час зміни режимів різання під час комбінованої обробки точінням і вигладжуванням. По лініях рівня, на яких числами показані значення Ra, може також встановлюватися співвідношення швидкості різання і подачі, що відповідають заданим значенням параметрів шорсткості.

       Задача вибору найкращого поєднання швидкості різання v і подачі s, що забезпечують заданий рівень шорсткості, може бути успішно вирішена за допомогою сучасних методів оптимізації режимів різання.

       Одним з найбільш поширених методів оптимізації на даний час є метод лінійного програмування [4], що дозволяє здійснювати одночасну оптимізацію швидкості різання і подачі з урахуванням обмежень, що діють при різанні, по критерію максимальної продуктивності. Для лінійної цільової функції і лінійних обмежень достатньо добре розроблений і широко використовується графічний метод пошуку оптимальних режимів різання.

       Цільова функція - продуктивність обробки, максимум якою досягається при мінімумі основного часу, або максимумі добутку n S max (n, S - частота обертання і подача).

       Під час комбінованої обробки точінням і вигладжуванням розглядуються обмеження по можливостях лезового ріжучого інструменту з надтвердого матеріалу - эльбора, по гранично допустимій шорсткості обробленої поверхні Raдоп, по гранично допустимій температурі різання доп., а також кінематичні.

       Математична модель процесу комбінованої обробки точінням і вигладжуванням виражається системою лінійних нерівностей:

де D – діаметр обробки; C_V, K_V, x_V, y_V, m – коефіцієнти і показники ступеня впливу глибини t, подачі S і стійкості T на швидкість різання V під час лезової обробки тонким точінням; C_R, n_R, y_R - коефіцієнт і показник ступеня впливу швидкості V і подачі S на шорсткість Ra під час комбінованої обробки; C_T, x_T, y_T, n_T - коефіцієнт і показники ступеня впливу режимів різання на температуру ; К_Т – коефіцієнт, що враховує додатковий нагрів лезового інструменту під час комбінованої обробки; n_min, n_max, s_min, s_max - гранично допустимі частоти обертання і подачі.

       На рисунку 5 графічно зображена схема визначення оптимальних режимів різання (стійкість Т = 300 хв., глибина різання t = 0,5мм, шорсткість Raдоп = 0,12мкм, доп = 800С).

       Для заданих умов обробки прийняті наступні коефіцієнти і показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі і стійкості на швидкість та температуру різання:

коефіцієнти і показники, що характеризують ступінь впливу швидкості і подачі на шорсткість обробленої поверхні:

       Точка С трикутника АВС, в якій цільова функція 6 набуває максимального значення, є точкою перетину обмежень по можливостях інструменту (1) і допустимої шорсткості обробленої поверхні Raдоп (2); координати точки С є оптимальними значеннями режимів різання. У даному випадку температурні обмеження (3) не впливають на оптимальні режими.

       Для заданих умов маханообробки визначені наступні значення оптимальних режимів комбінованої обробки:

       Згідно з паспортними даними верстата прийняті наступні режими різання: n_опт = 250об/хв; s_опт = 0,07мм/об; v_опт = 150м/хв.

       Таким чином, у результаті проведених досліджень обґрунтовані раціональні параметри обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням, а також розроблена методика визначення оптимальних параметрів комбінованої лезової та відділочно-зміцнювальної обробки точінням і вигладжуванням, що забезпечують заданий рівень шорсткості поверхневого шару і максимальну продуктивність.

Конструкції інструментів для комбінованої обробки точінням і вигладжуванням

       Найбільша кількість конструкцій КІ розроблена для комбінованої обробки різанням і ППД зовнішніх циліндричних поверхонь. На рисунку 6 зображена класифікаційна схема КІ, що дозволяє систематизувати відомі конструкції інструментів [9].

       Найпростішою схемою такого інструменту для комбінованої обробки є поєднання звичайного різця з кульковим або роликовим деформуючим елементом. При цьому деформуючий елемент може бути пов'язаний з ріжучим жорстко або пружно. Найбільш простою конструкцією такого типу є комбінований інструмент з алмазним вигладжувателем, зображений на рисунку 7 [13].

       У державкі 1 за допомогою гвинтів в прямокутному пазу закріплюється різець 2, а в різьбовий отвір державкі вкручується різьбова втулка 3 із закріпленим в ній алмазним вигладжувателем 5. Натяг деформуючого елементу створюється за рахунок вкручення або вивертання втулки з алмазним вигладжувателем на необхідну величину відносно вершини різця. Для фіксації вигладжувателя в необхідному положенні служить гайка 4. Проте дана конструкція має суттєві недоліки.

Рисунок 8 – Схема роботи комбінованого інструменту з алмазним вигладжувателем

       Виходячи з конструкції (рис. 7) і схеми роботи інструменту (рис. 8) видно, що ріжучий і деформуючий елементи під час обробки входять в контакт з деталлю послідовно. Внаслідок цього у момент вступу до роботи деформуючого елементу технологічна система навантажується зусиллям деформації, що викликає послідовний пружний зсув деталі та інструменту, що знижує точність обробки. Крім того інструмент такої конструкції є неврівноваженим, тобто тиск від ріжучого і деформуючого елементів здійснюється з одного боку деталі, що також викликає пружний зсув деталі і може знизити точність обробки. Також жорсткий зв'язок ріжучого і деформуючого елементів не дозволяє забезпечити рівномірність зміцнення оброблюваної поверхні деталі внаслідок можливих неточностей поверхні заготівки і погрішності базування.

       Усунути виявлені недоліки дозволяє КІ урівноваженої конструкції (рис. 9).

       У такій конструкції зусилля різання і зусилля деформації частково врівноважуються шляхом протилежного розташування ріжучого і деформуючого елементів.

       Одним з методів підвищення точності комбінованої обробки деталей неврівноваженим КІ є метод попереднього навантаження технологічної системи зусиллям деформації, при якому до початку обробки деформуючий елемент КІ вводять в контакт з додатковим технологічним елементом, штучно введеним в технологічну систему і навантажують її зусиллям деформації. Оскільки під час обробки на технологічну систему діє постійна сила, то пружних віджимань інструменту і деталі не відбувається.
       Перспективним є створення ротаційних КІ, у яких ріжучі і деформуючі елементи працюють на основі єдиного кінематичного принципу — вільного обертання навколо своїх осей [11]. В цьому випадку ріжучі елементи виконують у вигляді круглих самообертаючих різців, а деформуючими елементами є торові ролики, що мають з різцем спільну вісь обертання. Виконані таким чином КІ (вища елементарна пара) мають високу стійкість ріжучих і деформуючих елементів.

       Під час виконання роботи був проведений аналіз доцільності застосування комбінованої обробки точінням і вигладжуванням, був проведений короткий огляд існуючих досліджень і розробок.

       Також була обґрунтована доцільність вживання комбінованої обробки тонким точінням і алмазним вигладжуванням для загартованої сталі 45 шляхом визначення оптимальних параметрів обробки, що забезпечують необхідний рівень шорсткості поверхневого шару і максимальну продуктивність. В результаті доведено, що комбінована обробка забезпечує менший рівень шорсткості поверхневого шару, ніж звичайна відділочно-зміцнювальна обробка; на прикладі обробки загартованої сталі 45 визначені значення оптимальних режимів різання для комбінованої обробки.

       У роботі коротко проаналізовані основні конструкції КІ з виявленням їх основних недоліків.

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.