Анализ возможностей лезвийной и отделочно-упрочняющей обработок по обеспечению шероховатости поверхностей деталей машин

Губин Т.И., Матушкина Е.И, Івченко Т.Г.
Донецкий национальный технический университет

Источник:Машинознавство / Матеріали 11-ої регіональної науково-методичної конференції. м. Донецьк, 20-21березня 2009р. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. – С.

Обеспечение высокого качества изготовления деталей машин и, прежде всего, качества их поверхностного слоя, является одной из важнейших задач современного машиностроительного производства, в связи с чем исследования технологических возможностей различных методов механической обработки являются весьма актуальными.

В настоящее время, как для лезвийной, так и для отделочно-упрочняющей обработок, хорошо известны основные закономерности формирования поверхностного слоя деталей, широко представленные в справочно-нормативной литературе в виде теоретических и эмпирических зависимостей [1, 2]. Однако, для практического использования и обоснования рационального выбора того или иного метода в конкретных условиях обработки имеющейся информации недостаточно.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности производства является комбинирование лезвийной и отделочно-упрочняющей обработок, обеспечивающих как снижение трудоемкости за счет совмещения операций, так и высокое качество поверхностного слоя [3, 4]. Однако, сведения об особенностях комбинированной обработки практически отсутствуют, что затрудняет обоснование рациональных условий ее применения и прогнозирование параметров состояния поверхностного слоя.

Цель работы – исследовать возможности снижения шероховатости поверхностного слоя при различных видах лезвийной, отделочно-упрочняющей и комбинированной обработках и обосновать область их рационального применения.

В настоящей работе исследованы закономерности формирования параметров шероховатости при обработке точением, обкатыванием и выглаживанием наружных поверхностей вращения деталей из незакаленных и закаленных сталей.

Для чистового точения незакаленных сталей твердосплавными резцами параметр шероховатости поверхности R_а равен [2]:

где S - подача, γ - передний угол, r - радиус при вершине резца, V - скорость резания.

Для обкатывания роликами незакаленных сталей параметр шероховатости поверхности R_а равен [2]:

где r_p - приведенный радиус ролика; Р - усилие при обкатывании; D_p - диаметра ролика; S_o – подача при обкатывании.

Основные особенности комбинированной обработки, использующей специальные инструменты, сочетающие в себе режущие и деформирующие элементы, заключаются в том, что скорость главного движения и скорость подачи для каждой из комбинируемых обработок являются одинаковыми, в связи с чем необходимо устанавливать их одновременное влияние на изменение параметров поверхностного слоя при каждой из комбинируемых обработок с учетом зависимости параметров окончательной отделочно-упрочняющей обработки от параметров, формируемых при предшествующей лезвийной.

Для совместной обработки чистовым точением и обкатыванием роликами незакаленных сталей параметр шероховатости поверхности R_а равен:

Как следует из представленных зависимостей скорость, как при точении, так и при обкатывании, оказывает весьма незначительное влияние на шероховатость в сравнении с подачей, поэтому в представленной работе выполняется анализ возможности управления шероховатостью за счет изменения подачи. Графики зависимости параметров шероховатости от подачи для различных видов обработки представлены на рис. 1.

Рис.1. Графики зависимости параметров шероховатости при чистовом точении R_а1, обкатывании роликами R_а2 и комбинированной обработке R_а3 от подачи S

Условия обработки, использованные для расчетов: материал детали - сталь 45, твердосплавный резец Т15К6 (радиус при вершине r = 2мм, передний угол γ = 5°, углы в плане φ = φ₁ = 45°), скорость V = 100 м/мин, глубина резания t = 1 мм/об, обкатной ролик - сталь ХВГ (диаметр 40мм, профильный радиус 10мм), сила при обкатывании Р = 500Н.

Графики наглядно иллюстрируют преимущества обкатывания и совместной обработки точением и обкатыванием, обеспечивающих меньшие значения параметра шероховатости поверхности R_а по сравнению с чистовым точением.

В представленной работе предлагается для количественной оценки изменения шероховатости при различных методах обработки ввести коэффициент снижения шероховатости, равный отношению параметров шероховатости оцениваемого R_ao и сравниваемого R_ac вариантов обработки:

Графики зависимости коэффициентов снижения шероховатости от подачи представлены на рис. 2.

Рис.2. Графики зависимости коэффициентов снижения шероховатости К от подачи S при обработке незакаленных сталей

Для чистового точения как в сравнении с совместной обработкой (К₁ = R_a1 / R_a3), так и с обкатыванием (К₂ = R_a1 / R_a2), шероховатость снижается до 3 раз, причем с увеличением подачи этот коэффициент растет. Для совместной обработки в сравнении с обкатыванием коэффициент снижения шероховатости (К₃ = R_a2 / R_a3 ) с увеличением подачи снижается, что необходимо учитывать при выборе вида обработки и регламентации его параметров.

Для тонкого точения закаленных сталей с использованием современных сверхтвердых инструментальных материалов параметр шероховатости поверхности R_a [2]:

При обкатывании шариками и алмазном выглаживании наружных цилиндрических поверхностей деталей из закаленных сталей параметр шероховатости R_a [2]:

где R_{z исх} – исходная шероховатость; σ max – максимальные напряжения на контакте; d – диаметр ролика; d_a – диаметр алмазного индентора.

Графики зависимости параметров шероховатости от подачи для различных видов обработки закаленных сталей представлены на рис. 3.

Рис.3. Графики зависимости параметров шероховатости при тонком точении R_a4, обкатывании шариками R_a5 и выглаживании R_a6 от подачи S

Условия обработки: материал детали - сталь ШХ15 твердостью HRC63; при тонком точении эльбором передний угол γ = 5°, радиус при вершине r = 1мм, скорость резания V = 100м/мин; при обкатывании и выглаживании: диаметр шарика d = 10мм, диаметр алмазного индентора d_a =5мм, исходная шероховатость напряжения R_{z исх} = 2мкм, σ_max = 5000МПа, скорость V = 100м/мин.

Наилучшими возможностями по обеспечению шероховатости поверхности обладает алмазное выглаживание, обеспечивающие при прочих сопоставимых условиях наименьшее значение параметра шероховатости R_aб. В области малых подач малую шероховатость имеет и тонкое точение, однако, с увеличением подачи шероховатость при обкатывании шариками и алмазном выглаживании значительно ниже.

Для комбинированной обработки тонким точением и обкатыванием, а также тонким точением и алмазным выглаживанием расчет параметров шероховатости выполняется по формулам (6) и (7), где в качестве исходной R_{z исх} используются значения параметра шероховатости R_а4, в свою очередь существенно зависящие от подачи:

Графики зависимости параметров шероховатости от подачи для указанных видов комбинированной обработки, представленные на рис. 4, свидетельствуют о том, что меньшую шероховатость обеспечивает совместное тонкое точение и выглаживание.

Рис.4. Графики зависимости параметров шероховатости при комбинированной обработке тонким точением и обкатыванием R_a7, а также выглаживанием R_a8 от подачи S

В связи с тем, что при комбинированной обработке исходная шероховатость R_{a исх} переменна и уменьшается с уменьшением подачи, параметр шероховатости R_{a комб}, формируемый в результате комбинированной обработки меньше, чем при обычной отделочно-упрочняющей обработке. Следовательно, при комбинированной обработке для одних и тех же подач может быть достигнута меньшая шероховатость поверхностного слоя, чем при обычной отделочно-упрочняющей обработке.

Графики зависимости коэффициентов снижения шероховатости от подачи представлены на рис. 5. Для тонкого точения в сравнении с комбинированными обработками алмазным выглаживанием (К₄ = R_a4 / R_a8) и обкатыванием (К₅ = R_a4 / R_a7), шероховатость снижается до 2 раз и, практически, не зависит от подачи. Для комбинированной обработки в сравнении с обкатыванием (К₆ = R_a5 / R_a) и выглаживанием (К₇ = R_a6 / R_a8) шероховатость снижается до 3 раз, причем коэффициент снижения шероховатости для двух указанных видов комбинированной обработки практически одинаков и с увеличением подачи снижается.

Рис.5. Графики зависимости коэффициентов снижения шероховатости К от подачи S при обработке закаленных сталей

Таким образом, выполнена сравнительная оценка параметров шероховатости обработанной поверхности детали при различных видах лезвийной и отделочно-упрочняющей обработок, на основании которой может регламентироваться выбор рациональных подач, обеспечивающие заданный уровень качества поверхностного слоя деталей. Обоснована возможность повышения качества поверхностного слоя при использовании комбинированных методов обработки.

Разработанная методика может быть применена для любых видов комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработок.

Литература

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

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

3. Дубоделова О.C., Ивченко Т.Г. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое детали при совместной обработке точением и обкатыванием. ИНЖЕНЕР: студенческий научно-технический журнал / Донецк: ДонНТУ, 2005, № 6. - С.132-135.

4. Рудина И.А., Степутина Т.А., Ивченко Т.Г. Повышение качества деталей машин за счет применения комбинированных методов механообработки // Машинознавство / Матеріали 8-ої регіональної науково-методичної конференції. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. – С.94-97.