Брадулов Павло Русланович

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Передбачувана наукова новизна
• 4. Передбачувана практична користь
• 5. Аналіз існуючих методів комбінованої обробки
• 5.1 Використання комбінованих методів обробки в машинобудуванні і їх загальна класифікація
• 5.2 Аналіз можливостей комбінованної обробки
• Перелік посилань

Вступ

Основні експлуатаційні властивості деталей машин - зносостійкість, міцність, корозійна стійкість значною мірою визначаються станом їх поверхневого шару, який визначається технологією виготовлення. У сучасному виробництві призначення і технологічне забезпечення параметрів стану поверхонь деталей недостатньо обгрунтовано, що призводить або до завищення вимог і дорожчання машин, або до їх заниження і зниження надійності..

Підвищення продуктивності та якості обробки деталей машин з використанням комбінованих методів обробки, а відповідно підвищення економічної ефективності виробництва, є актуальною проблемою сучасної промисловості. Вирішення цих завдань, а також супутніх проблем, можливо за допомогою застосування кобінованих методів обробки деталей машин.

1. Актуальність теми

Кожен спосіб обробки має свою переважну область застосування , зумовлену комплексом і рівнем значень забезпечуваних параметрів якості несучого шару.

Як правило, одні комбінації методів забезпечують високу ступінь поліпшення поверхні, але малу глибину шару, інші - достатню глибину, але недостатню ступінь поліпшення поверхні, третій - середню глибину і ступінь поліпшення поверхні.Тому теоретичні та експериментальні дослідження, спрямовані на розробку, визначення оптимальної комбінації і умов обробки, вдосконалення та впровадження комбінованих методів обробки-є актуальними і перспективними напрямками іслледованій.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета роботи – підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин та продуктивності їх механічної обробки за рахунок застосування комбінованих методів обробки.

Основні задачі дослідження:

1. Аналіз існуючих методів підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин та обґрунтування доцільності застосування комбінованої лезової та зміцнювальної обробки з послідуючим нанесенням покриттів
2. Дослідження основних параметрів комбінованої обробки сумісним точінням і зміцнювальною обробкою.
3. Дослідження основних експлуатаційних властивостей деталей машин – зносостійкості та утомної міцності в залежності від умов комбінованої обробки.
4. Визначення оптимальних режимів комбінованої обробки за критерієм максимальної продуктивності
5. Обґрунтування техніко-економічної доцільності застосування комбінованої лезової та зміцнювальної обробки поверхнево-пластичним деформуванням деталей типу "тіла обертання".
6. Розробка рекомендацій з вибору методів і умов комбінованої обробки, що забезпечують максимальну продуктивність механічної обробки при заданому рівні якості деталей машин

3. Передбачувана наукова новизна

1. У розробці теоретичних моделей формування параметрів поверхневого шару деталей машин під час комбінованої обробки з обліком експлуатаційних властивостей.
2. У встановленні аналітичних залежностей оптимальних по продуктивності і собівартості режимів різання від умов комбінованої обробки поверхонь обертання.

4. Передбачувана практична користь пролягає

1. У створенні обґрунтованих рекомендацій по вибору оптимальних режимів різання для різних умов обробки поверхонь обертання.
2. Покращення продуктивності технологічного процесу обробки деталей муфти за рахунок методів комбінованої обробки

5.1. Аналіз існуючих методів кобінованої обробки

5.1. Використання комбінованих методів обробки в машинобудуванні і їх загальна класифікація

У сучасному машинобудуванні все ширше застосовують методи відділочної, зміцнювальної і відділочно-зміцнювальної обробки (ВЗО) з метою підвищення таких експлуатаційних характеристик деталей, як міцність, витривалість, зносостійкість та ін. В даний час розроблена велика кількість способів ВЗО, що призначені для зміни шорсткості поверхні, залишкових напруг та мікротвердості поверхневого шару.

Класифікація відомих способів ВЗО представлена на рисунку 5.1 [1].

Підвищення характеристик якості несучого шару досягається за рахунок:
— створення регулярної гетерогенної макроструктури;
— створення регулярної мікрогеометрії;
— зниження висотних параметрів шорсткості, збільшення опорної довжини профілю поверхні механічними і електрофізичними методами: алмазно-абразивною обробкою і її різновидами; електрохімічним поліруванням; вигладжуванням і обкатуванням; лощінням в процесі обробки металевими щітками, що обертаються;
— формування плівки або шару з високоміцного, зносо- або корозійностійкого матеріалу на підкладці з матеріалу-основи;
— зміни хімічного складу поверхневого шару основного матеріалу унаслідок його насичення атомами матеріалу-зміцнювача — поверхневим легуванням;
— термічного зміцнення у результаті локальної термічної дії на поверхневий шар основного матеріалу;
— деформаційного зміцнення дією на поверхневий шар основного матеріалу концентрованими потоками енергії або обробкою ППД;
— комбінуванням перерахованих методів

Рисунок 5.1 - Способи підвищення якості поверхневого шару

На міцність несучого шару в цілому, позначається співвідношення властивостей підкладки і тонкого поверхневого шару, зокрема, співвідношення твердості. Для підвищення несучої здатності, необхідне зміцнення підкладки до досить високої твердості (з плавним збільшенням твердості від серцевини до поверхні деталі без різких пе¬реходів між зміцненою і незміцненою зоною) у поєднанні з ще вищою твердістю і жорсткістю тонкого модифікованого поверхневого шару і формуванням у ньому стискуючих залишкових напруг. Як правило, одні способи обробки забезпечують висо¬ку твердість, але малу глибину зміцненого шару, інші — достатню глибину, але недостатню ступінь зміцнення поверхні, треті, — середню глибину і ступінь зміцнення поверхні. У зв’язку з цим набувають усе більш широкого поширення способи комбінованого зміцнення (рисунок 5.2) [1].

Серед комбінованого зміцнення виділяють способи, засновані на термічній і деформаційній дії на оброблюваний матеріал.

Із запропонованої класифікації видно, що вельми ефективним в комбінованих способах обробки є впровадження ППД, яке в поєднанні з вказаними методами сприяє значному підвищенню твердості, зниженню шорсткості, формуванню стискуючих залишкових напруг в поверхневому шарі, додатковому зміцненню, калібруванню і т. д.

Так, наприклад, обробка ППД перед нанесенням покриттів є найбільш поширеним способом підвищення опору втоми і зміцнення матеріалу підкладки. Все більше поширення отримує фінішна обробка металопокриттів ППД, яка використовується для додаткового зміцнення покриття і підкладки, оптимізації мікрогеометрії, зменшення пористості, відновлення і навіть збільшення опору втомі. Застосовування ППД пе¬ред МДО сприяє підвищенню контактної витривалості на 70% і більш. Поєднання зміцнення ППД з гальванічними покриттями забезпечує підвищення корозійної стійкості і зносостійкості. ППД з ізотермічним гартуванням створює сприятливе поєднання властивостей: в’язкості, пла¬стичності і опори втоми. ППД з ВТМО підвищує опір циклічним навантаженням і в’язкість руйнування. ППД з одним із способів підвищення пружних властивостей забезпечують сукупність високих значень статичної міцності і опору втоми і т. д. [1].

Рисунок 5.2 - Підвищення якості поверхневого шару комбінованою зміцнювальною обробкою

Основними перевагами такої обробки є, перш за все, забезпечення високої якості поверхневого шару і значне підвищення продуктивності за рахунок скорочення машинного часу, а також за рахунок зменшення допоміжного часу і часу, пов’язаного з установкою і налаштуванням інструментів на верстаті для виконання окремих операцій.

В даний час одним з прогресивних методів обробки металів різанням і ППД є тонке точіння різцями з надтвердих матеріалів (НТМ) [10] і алмазне вигладжування поверхонь і, отже, з’являється можливість ефективного використання цих методів шляхом їх комбінування в одному інструменті. Обробка КІ для поєднаного тонкого точіння і алмазного вигладжування має цілий ряд переваг. Завдяки високій твердості і зносостійкості алмазу з’являється можливість успішно обробляти загартовані стали, а також протяжні поверхні за один прохід без зміни інструменту. Висока чистота поверхні робочої частини інструментів і низька адгезійна здатність алмазу дозволяє досягати під час обробки таким КІ ще вищої шорсткості і якості поверхневого шару, ніж під час обробки твердосплавним інструментом. Малі робочі зусилля, які використовуються під час алмазного вигладжування, забезпечують інструменту перевагу перед обкаткою і іншими методами ППД — в цьому випадку з’являється можливість використання прецизійних верстатів, не порушуючи їх точність, можливість обробки маложорстких деталей і деталей з нерівномірною жорсткістю, які неможливо обробити іншими методами ППД без порушення їх геометричної форми [2].

5.2 Аналіз можливостей комбінованної обробки

В даний час, як для лезової, так і для відділочно-зміцнювальної обробок, добре відомі основні закономірності формування поверхневого шару деталей, що широко представлені в довідково-нормативній літературі у вигляді теоретичних і емпіричних залежностей [12], [18],[19],[20]. Проте, для практичного використання і обґрунтування раціонального вибору того або іншого методу в конкретних умовах обробки наявної інформації недостатньо. Тому для попереднього аналізу у даному розділі розглянемо закономірності формування параметрів шорсткості під час обробки точінням, обкатуванням і вигладжуванням зовнішніх поверхонь обертання деталей з незагартованих і загартованих сталей на основі відомих емпіричних залежностей.

Для чистового точіння незагартованих сталей твердосплавними різцями параметр шорсткості поверхні Ra дорівнює [12]:

(5.1)

де S — подача,  — передній кут, r — радіус при вершині різця, V — швидкість різання.

Для обкатування роликами незагартованих сталей параметр шорсткості поверхні Ra дорівнює [12]:

(5.2)

де rр — приведений радіус ролика; Р — зусилля під час обкатування; Dp — діаметр ролика; SО — подача під час обкатування.

Основні особливості комбінованої обробки, що використовує спеціальні інструменти, які поєднують в собі ріжучі і деформуючі елементи, полягають у тому, що швидкість головного руху і швидкість подачі для кожної з комбінованих обробок є однаковими, у зв’язку з чим необхідно встановлювати їх одночасний вплив на зміну параметрів поверхневого шару під час кожної з комбінованих обробок з врахуванням залежності параметрів остаточної відділочно-зміцнювальної обробки від параметрів, що формуються на попередній лезової обробки.

Для сумісної обробки чистовим точінням і обкатуванням роликами незагартованих сталей параметр шорсткості поверхні Ra дорівнює:

(5.3)

Рисунок 5.3 - Графіки залежності параметрів шорсткості під час чистового точіння Ra1, обкатування роликами Ra2 і комбінованої обробки Ra3 від подачі S

Як випливає з наведених залежностей швидкість, як під час точіння, так і під час обкатування, вельми незначно впливає на шорсткість порівняно з подачею, тому надалі виконується аналіз можливості управління шорсткістю за рахунок зміни подачі. Графіки залежності параметрів шорсткості від подачі для різних видів обробки представлені на рисунку 5.3. Умови обробки, використані для розрахунків: матеріал деталі — сталь 45, твердосплавний різець Т15К6 (радіус при вершині r = 2 мм, передній кут  = 5о, кути в плані  = 1 = 45о), швидкість V = 100 м/хв, глибина різання t = 1 мм, обкатний ролик — сталь ХВГ (діаметр 40 мм, приведений радіус 1 мм), сила під час обкатування Р = 500 Н.

Графіки наочно ілюструють переваги обкатування і сумісної обробки точінням і обкатуванням, що забезпечують менші значення параметра шорсткості поверхні Ra в порівнянні з чистовим точінням.

Кількісну зміну шорсткості під час обробки різними методами можна оцінити за допомогою коефіцієнта збільшення шорсткості, рівного відношенню параметрів шорсткості оцінюваного Raо і порівнюваного Raс варіантів обробки:

(5.4)

Рисунок 5.4 - Графіки залежності параметрів шорсткості від подачі для різних видів обробки загартованих сталей

Графіки залежності коефіцієнтів збільшення шорсткості від подачі побудовані в додатку Б і представлені на рисунку 5.4. Для чистового точіння як порівняно із сумісною обробкою (К1 = Ra1 / Ra3), так і з обкатуванням (К2 = Ra1 / Ra2), шорсткість збільшується до 3 разів, причому із збільшенням подачі цей коефіцієнт зростає. Для обкатування порівняно із сумісною обробкою коефіцієнт збільшення шорсткості (К3 = Ra2 / Ra3) із збільшенням подачі знижується, що необхідно враховувати під час вибору виду обробки і регламентації його параметрів.

Для тонкого точіння загартованих сталей з використанням сучасних надтвердих інструментальних матеріалів параметр шорсткості поверхні Ra дорівнює [12]:

(5.5)

Під час обкатування кульками і алмазного вигладжування зовнішніх циліндричних поверхонь деталей із загартованих сталей параметр шорсткості Ra дорівнює [12]:

Алмазне выглажування

(5.6)

(5.7)

Rz исх — вихідна шорсткість;  max — максимальна напруга на контакті; d — діаметр кульки; da — діаметр алмазного індентора.

Графіки залежності параметрів шорсткості від подачі для різних видів обробки загартованих сталей представлені на рисунку 5.4. Умови обробки: матеріал деталі — сталь ШХ15 твердістю HRC 63; під час тонкого точіння ельбором передній кут  = -10о, радіус при вершині r = 1 мм, швидкість різання V = 100 м/хв; під час обкатування і вигладжування: діаметр кульки d = 10 мм, діаметр алмазного індентора da = 5 мм, вихідна шорсткість Rz исх = 2 мкм, напруга max = 5000 МПа, швидкість V = 100 м/хв.

Для комбінованої обробки тонким точінням і обкатуванням, а також тонким точінням і алмазним вигладжуванням розрахунок параметрів шорсткості виконується по формулах (5.6) і (5.7), де у якості Rz исх використовуються значення параметра шорсткості Ra4, що, у свою чергу, суттєво залежать від подачі:

(5.8)

(5.9)

Графіки залежності параметрів шорсткості від подачі для вказаних видів комбінованої обробки, що представлені на рисунку 5.5, свідчать про те, що меншу шорсткість забезпечує сумісне тонке точіння і алмазне вигладжування.

У зв’язку з тим, що під час комбінованої обробки вихідна шорсткість Rаисх змінна і зменшується із зменшенням подачі, параметр шорсткості Rакомб, що формується у результаті комбінованої обробки менше, ніж під час звичайної відділочно-зміцнювальної обробки. Отже, під час комбінованої обробки для тих же самих подач може бути досягнута менша шорсткість поверхневого шару, ніж під час звичайної відділочно-зміцнювальної обробки.

Рисунок 5.5 - Графіки залежності параметрів шорсткості від подачі

Рисунок 5.6 - Графіки залежності параметрів шорсткості під час комбінованої обробки тонким точінням і обкатуванням Ra7, а також вигладжуванням Ra8 від подачі S

Графіки залежності коефіцієнтів збільшення шорсткості від подачі побудовані і представлені на рисунку 5.7. Для тонкого точіння порівняно з комбінованими обробками алмазним вигладжуванням (К4 = Ra4 / Ra8) і обкатуванням (К5 = Ra4 / Ra7) шорсткість збільшується до 4 разів, і коефіцієнти практично не залежать від подачі. Для обкатування (К6 = = Ra5 / Ra7) і вигладжування (К7 = = Ra6 / Ra8) порівняно з комбінованою обробкою шорсткість збільшується до 3 разів, причому коефіцієнт зниження шорсткості для двох вказаних видів комбінованої обробки практично однаковий та із збільшенням подачі знижується.

Рисунок 5.7 - Графіки залежності коефіцієнтів збільшення шорст-кості К від подачі S під час обробки загартованих сталей

Таким чином, виконана порівняльна оцінка параметрів шорсткості поверхневого шару під час різних видів лезової і відділочно-зміцнювальної обробок свідчить про те, що комбіновані методи обробки різанням і ППД забезпечують найкращий стан поверхневого шару в порівнянні з роздільними видами обробок.

Перелік посилань

1. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием: Библиотека технолога. — М.: Машиностроение, 2004. - 288 с.
2. Маркус Л.И., Смелянский В.М. Отделка и упрочнение поверхностей деталей алмазным выглаживанием. Серия V. Технология машиностроения, экономика и организация производства. — М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1971. – 43 с.
3. Обработка металлопокрытий выглаживанием / Л.А. Хворостухин, В.Н. Машков, В.А. Торпачев, Н.Н.Ильин. — М.:Машиностроение, 1980.-63 с.
4. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением / Л.А. Хворостухин, С.В. Шишкин, И.П. Ковалев, Р.А. Ишмаков. — М.: Машиностроение, 1988. - 144 с.
5. Головань А.Я., Грановский Э.Г., Машков В.Н. Алмазное точение и выглаживание. — М.: Машиностроение, 1976. - 32 с.
6. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. — М.: Машиностроение, 1972. - 105 с.
7. Чистосердов П.С. Комбинированные инструменты для совмещения процессов резания и поверхностно-пластического деформирования. – М.: НИИМАШ, 1975. - 68 с.
8. Чистосердов П.С., Жуковец Г.С. Комбинированные инструменты для обработки поверхностным пластическим деформированием. – М.: НИИФОРМТЯЖМАШ, 1976. – 59 с.
9. Чистосердов П.С. Комбинированные инструменты для отделочно-упрочняющей обработки. — Минск: Беларусь, 1977. - 69 с.
10. Инструменты из сверхтвердых материалов./Под ред. Н. В. Новикова. — М.: Машиностроение, 2005 г. — 555 с.
11. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов /А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, А.Ф. Вязов и др. — М.: Машиностроение, 2005. - 592 с.
12. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т. / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985. - Т. 1. - 656 с.
13. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985. - Т. 2. - 496 с.
14. Проектирование и производство заготовок в машиностроении: Учеб. Пособие/ П.А. Руденко, Ю.А. Харламов, В.М. Плескач; Под общ. ред. В.М. Плескача. — К.: Выща шк., 1991. - 247 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. Лезвийный инструмент из сверхтвердых материалов: [Справочник] / Н.П. Винников, А.И. Грабченко, Э.И. Гриценко и др.; Под. общ. ред. акад. АН УССР Н. В. Новикова. — К.: Тэхника, 1988. - 118 с.
17. Общемашиностроительные нормативы времени вспомогательного, на обслуживание рабочего места и подготовительно-заключительного для нормирования станочных работ. Серийное производство. — М.: Машиностроение. 1974. - 421 с.
18. Качество машин: Справочник в 2-х т. / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. — М.: Машиностроение, 1995. - Т. 1. – 256 с.
19. Качество машин: Справочник в 2-х т. / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, А.М. Дальский и др. — М.: Машиностроение, 1995. - Т. 2 – 430 с.
20. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.
21. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов и др. — М.: Машиностроение, 1991. - 144 с.
22. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка металлов пластическим деформированием. — Л.: ЛДНТП, 1958. – 230 с.
23. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. — Л.: Машиностроение, 1971. – 248 с.
24. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. — М.: Машиностроение, 1971. – 203 с.
25. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. — М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.
26. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. — М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.
27. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. — М.: Машиностроение, 1993. - 304 с.
28. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием.: Справочник. — М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.
29. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С. Колесников, Г.Ф. Баландин, А.М. Дальский и др. — М.: Машиностроение, 1990. – 256 с.
30. Крагельский И.В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. – 480 с.
31. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1985. – 304 с.
32. Грановский Г.И. Обработка результатов экспериментальных исследований резания металлов. — М.: Машиностроение, 1982. – 112 с.
33. Теория резания металлов в примерах и задачах: Учеб. пособие / О.С. Кроль, Е.У. Зарубицкий, В.Н. Киселев. — К.: УМК ВО, 1992. – 124 с.
34. Кроль О.С., Хмелевский Г.Л. Оптимизация и управление процессом резания. Учеб. пособие. — К.: УМК ВО, 1991. – 140 с.
35. Якобс Г., Якобс Э., Кохан Д. Оптимизация резания. Параметризация способов обработки резанием с использованием технологической оптимизации / Пер. с нем. — М.: Машиностроение, 1981. – 279 с.