BACK

СОДЕРЖАНИЕ

  ВВЕДЕНИЕ  

    1 Состояние вопроса и постановка задач исследования

    1.1 Закономерности формирования поверхностного слоя деталей машин

    1.2 Методы повышение качества деталей машин

    1.3 Повышение качества деталей пластическим деформированием

    1.4 Цель и задачи исследований

2 Теоретические исследования закономерностей формирования поверхностного слоя деталей с учетом эксплуатационных свойств

        2.1 Обоснование параметров поверхностного слоя с учетом износостойкости и прочности

        2.2 Формирование поверхностного слоя при точении и шлифовании

        2.3 Формирование поверхности при отделочно-упрочняющей обработке

    3 Экспериментальные исследования влияния условий обработки на шероховатость поверхности при     отделочно-упрочняющей обработке

    3.1 Планирование эксперимента

    3.2 Обработка результатов эксперимента

    3.3 Проверка адекватности моделей и анализ результатов исследований

4 Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей

    4.1 Выбор режимов резания при обработке точением

    4.2 Выбор режимов обработки с учетом износостойкости и прочности

    ВЫВОДЫ

    ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

Основные эксплуатационные свойства деталей машин – износостойкость, прочность, коррозионная устойчивость в значительной мере определяются состоянием их поверхностного слоя, определяемого технологией изготовления. В современном производстве назначение и технологическое обеспечение параметров состояния поверхностей деталей недостаточно обосновано, что приводит либо к завышению требований и удорожанию машин, либо к их занижению и снижению надежности.

Существует достаточно большое количество различных технологических методов повышения качества поверхностей деталей. Наиболее распространенными из них являются, гальванические и химические методы нанесения покрытий, наплавка, напыление, ионная имплантация, лазерная обработка. Обеспечивая повышение эксплуатационных свойств, а так же, улучшая декоративный вид изделий, эти методы в то же время являются экологически небезопасными, загрязняющими окружающую среду и представляющими сложность в утилизации отходов. Поэтому в настоящей работе исследуются методы отделочно-упрочняющей обработки, лишенные этих недостатков.

Основным объектом исследования в настоящей работе являются детали типа "тела вращения", к наружным поверхностям которых предъявляются достаточно высокие требования по прочности и износостойкости во избежание преждевременного износа поверхностей трения и разрушения.

Сущность работы заключается в комплексном подходе к обоснованию и технологическому обеспечению экологически чистыми методами обработки системы параметров поверхностного слоя с учетом эксплуатационных свойств, а также в разработке практических рекомендаций по их реализации в производственных условиях. Только в результате такого комплексного подхода может успешно решаться задача повышения качества отдельных узлов и изделий в целом.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

 1.1 Закономерности формирования поверхностного слоя деталей машин

В настоящее время проводится большое количество исследований по отысканию оптимальной системы параметров качества поверхности деталей машин, которая бы наиболее полно отражала их эксплуатационные свойства. В исследованиях Исаева А.И. [1] , Макарова А.Д. [2] , Маталина А.А. [3] , Проскурякова Ю.Г. [4] , Рыжова Э.В. [5] , Силина С.С. [6] , Ящерицина П.И. [7] , Дальского А.М. [8] , Шнейдера Ю.Г. [9] , Суслова А.Г. [10] и др. выполнен анализ многочисленных факторов, влияющих на параметры поверхностного слоя деталей машин. В них установлены взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки, выявлены пути управления качеством поверхности. Однако, разнообразие методик оценки параметров качества, в ряде случаев несовпадающие и даже противоречивые рекомендации по выбору рациональных условий обработки, затрудняют решение конкретных технологических задач по обработке деталей машин. В связи с этим для решения ряда задач возникает необходимость в анализе теоретических закономерностей формирования поверхностного слоя деталей и разработки на этой основе рекомендаций для рациональной обработки с обеспечением требуемого уровня качества поверхностей.

Качество изготовления деталей машин существенно зависит от метода их окончательной обработки, так как именно на этой стадии формируется поверхностный слой детали, определяющий основные эксплуатационные свойства. В настоящее время наиболее часто как отделочные используются методы алмазно-абразивной обработки. Наряду с обеспечением требуемого высокого уровня шероховатости, эти методы обладают серьезными недостатками. Во-первых, вследствие высоких температур резания, в поверхностном слое возникают неблагоприятные остаточные напряжения, возможно возникновение прижогов поверхности. Во-вторых, в результате выделения большого количества абразивной пыли, они являются экологически небезопасными.

Возможность решения этих проблем заключается в использовании высокоскоростной обработки резанием на основе минералокерамических и алмазных инструментов. Вследствие высокой твердости, износостойкости и красностойкости указанные инструментальные материалы обеспечивают значительное повышение скорости резания при лезвийной обработке закаленных сталей и отбеленных чугунов с обеспечением высокого качества обработанной поверхности. Это позволяет рекомендовать экологически чистые лезвийные методы обработки взамен алмазно-абразивной.

В работах Крагельского И.В.[13] , Михина Н.М. [14] , Суслова А.Г. [10] проведены многочисленные исследования по влиянию параметров состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей и, прежде всего, важнейшее свойство - износостойкость. Представляет интерес анализ этих работ с точки зрения возможности обоснования технологических методов обработки тел вращения с обеспечением заданного уровня износостойкости поверхностей. В настоящее время возникает необходимость обоснованного обеспечения требуемых эксплуатационных показателей деталей машин и их узлов на стадии конструкторско-технологической подготовки производства с широким применением для этих целей ПЭВМ.

1.2 Методы повышение качества деталей машин

Для улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин, в основном износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, применяют различные методы [4, 5, 9, 20, 21, 22, 23, 25].

В последнее время для повышения надежности и долговечности деталей машин широко применяют наплавку на рабочие поверхности деталей из металла с высокими эксплуатационными свойствами [22, 23].

Газовой наплавкой (с помощью ацетилено-кислого пламени) упрочняют детали автомобилей, тракторов и других машин (стартерные шестерни маховика, распределительные валики зубчатые колеса, валы коробок передач и трансмиссий, детали рулевого механизма).

Толщину наплавленного слоя устанавливают в зависимости от условий работы детали и глубины износа поверхности. По данным отдела сварки ЦНИИТМАШа для деталей, работающих на истирание, толщина слоя не должна превышать 2 5—4 мм, для режущих кромок инструмента 1,5—3 мм, для деталей инструмента, испытывающих небольшую ударную нагрузку, 2 мм. При ручной наплавке колебание толщины слоя может быть в пределах 0,25—0,5 мм.

Повышение износостойкости наплавленных слоев достигается различными способами. Легирование металла, наплавленного под флюсом, можно производить легированной проволокой при обычном флюсе; специальной проволокой (с легирующим порошком внутри); специальным флюсом; покрытием поверхности пастой и порошком.

Металлизация напылением заключается в том, что на заранее подготовленную поверхность любой формы наносят металлическое покрытие путем распыления жидкого металла струёй сжатого воздуха. Для этого используют специальные аппараты— металлизаторы. В зависимости от источника теплоты, используемого для расплавления металла, различают газовую, электрическую и плазменную металлизацию. Металл может подаваться в аппарат в виде проволоки, порошка или ленты. Наряду с газовой металлизацией и электрометаллизацией начинают применять плазменное напыление металлов. Ввиду высокой температуры плазмы становится возможным напыление тугоплавких металлов и керамики.

К достоинствам металлизации относят возможность наращивать на шейки валов машин, станины станков и другие детали слои стали толщиной 1,5 мм и более с требуемыми физико-механическими свойствами. К достоинствам металлизации следует также отнести сравнительную простоту и малую стоимость этого способа упрочнения.

Основные недостатки металлизации: хрупкость нанесенного слоя; не всегда достаточная прочность сцепления с основным металлом; снижение механической и особенно усталостной прочности деталей из-за уменьшения размеров и нарушения целости их рабочей поверхности при подготовке к металлизации и трудность последующей механической обработки.

Ионная имплантация [22, 23] заключается во внедрении в поверхность ионизированных атомов легирующего вещества, ускоренных электрическим полем до нужной энергии. При легировании ионами средних масс с энергией в сотни килрэлектронвольт максимум концентрации легирующей примеси находится на глубине в десятые доли микрометра. Высокоэнергетическая имплантация с энергией ионов в несколько мегаэлектронвольт обеспечивает легирование на глубину, исчисляемую микрометрами. Но при этом токи пучков не достигают высокой интенсивности (до 10 мА/см²) как при низкоэнергетической имплантации, что увеличивает время обработки.

Ионную имплантацию можно использовать как способ изменения механических и химических свойств поверхности детали в нужном направлении. К ее преимуществам относится то, что имплантация приводит к образованию таких сплавов, которые невозможны в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов.

Легкие атомы внедрения N, С, В обладают свойствами сегрегации к дислокациям, что блокирует движение последних и упрочняет поверхностный слой. Износостойкость при этом растет, а возникновение и развитие усталостных трещин ограничивается малой подвижностью дислокаций. Имплантация азота приводит к заметному повышению долговечности низкоуглеродистой стали. Усталостная долговечность коррозионно-стойкой стали, титана и мартенситно-стареющей стали повышается после имплантации азотом в 8—10 раз.

Имплантацией можно обеспечить нужный профиль залегания примеси по глубине, причем процесс является высокопроизводительным. Метод является вакуумно чистым и экологически безвредным. Основным недостатком ионной имплантации является высокая стоимость оборудования и отсутствие мощных источников среднеэнергетических ионов.

Лазерный луч—это мощный и концентрированный поток электромагнитного излучения, отличающийся от других энергетических методов воздействия на вещество особо упорядоченным состоянием. Лазерный луч отличается высокой плотностью энергии. Поглощение металлами лазерного излучения приводит к мгновенному увеличению энергии свободных и связанных электронов. Возбужденные электроны сталкиваются с атомами решетки, время их релаксации равно 10^-12 с. Энергия лазерного излучения трансформируется в движение атомов и температура поверхностного слоя резко повышается. Этот тонкий поверхностный слой становится интенсивным источником теплоты.

Быстрый теплоотвод в глубь металла приводит к возникновению закалочных структур в поверхностном слое. Преимуществом лазерного термоупрочнения металлов является хорошая управляемость процесса. По сравнению с другими источниками теплоты геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими приспособлениями, что позволяет достичь труднодоступных мест деталей, включая внутренние поверхности полых валов и отверстий.

Применение лазерной обработки в комбинации с другими методами позволяет либо улучшить качество уже нанесенного покрытия, либо получить новое комплексное покрытие. Основным недостатком лазерной обработки является высокая стоимость и дефицитность оборудования.

Для улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин, в основном износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, применяют различные способы нанесения металлических и неметаллических покрытий [20, 21, 22, 23, 25].

Гальваническое хромирование может быть декоративным или служить средством повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей.

Для повышения износостойкости деталей слой хрома толщиной до 0,1—0,2 мм наносят непосредственно на стальную поверхность. В этих случаях часто применяют электролитическое хромирование. Электролитический хром обладает высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью (НВ 1000—1100) и жаростойкостью. Хромовые покрытия снижают коэффициент трения сопряженных пар, что уменьшает тепловыделение при трении. Износостойкость хромированных деталей возрастает в 5—15 раз.

Упрочнение хромированием широко применяют в машиностроении и приборостроении для повышения износостойкости цилиндров и двигателей, поршневых колец, плунжерных пар топливных насосов дизелей и других деталей, а также при изготовлении и ремонте режущего, измерительного инструмента и штампов.

Для повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей и восстановления их размеров часто применяют твердое никелирование.

При твердом никелировании требуется в 3—4 раза меньше мощность источников постоянного тока, чем при хромировании, а расход энергии примерно в 20 раз меньше. Коэффициент трения стали по чугуну на 30% ниже коэффициента трения стали по хрому; коэффициент трения хрома по бронзе несколько выше. При трении без смазочного материала износостойкость покрытия в 2,5—3 раза выше, чем износостойкость закаленной стали 45, и на 10—20% ниже, чем износостойкость хрома. Покрытия из фосфористого никеля меньше снижают усталостную прочность, чем хромовые и обычные никелевые. Изнашиваемость сопряженных деталей из различных металлов при работе по фосфористо-никелевым покрытиям в 4—5 раз меньше, чем при работе по стали, и на 20—40% меньше, чем при работе по хрому.

Упрочнять и восстанавливать твердым никелированием можно детали типа коленчатых валов, шпинделей металлорежущих станков, поршневых пальцев, гильз цилиндров, поршней гидравлических машин, направляющих втулок.

Электролитическое борирование заключается в том, что в результате электролиза расплавленной буры создается элементарный бор, который в момент выделения диффундирует в металл, образуя на его поверхности бориды железа, а при наличии углерода — карбиды бора. Толщина борированного слоя на низколегированных сталях при температуре до 950°С составляет около 0,3 мм. Твердость борированного слоя HV 2000—2500. Слой бора не изменяет своих свойств при нагреве до 950°С и обладает повышенными кислотостойкостью и жаростойкостью при температуре до 800° С.

Глубокое оксидирование — процесс получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм с высокими микротвердостью (4000—4500 МПа), износостойкостью и хороши­ми электроизоляционными свойствами. Этот процесс применяют для повышения износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных машин и других деталей из алюминия и его сплавов с содержанием не более 4,5% Си и не более 7% Si.

Износостойкость перечисленных деталей после оксидирования при работе со смазочным материалом повышается в 5—10 раз. Для повышения стойкости деталей против коррозии их после оксидирования и тщательной промывки в воде подвергают специальной обработке для уплотнения оксидной пленки, чтобы предотвратить влияние окружающей среды на металл через поры пленки. Это делают пропиткой деталей в распыленном парафине или воске, покрытием их олифой, лаками, осаждением в парах нерастворимых солей, наполнением пор хроматами.

Технологический процесс изготовления деталей с покрытиями обычно включает следующие операции: механическую обработку для получения поверхностей необходимой точности и чистоты, обезжиривание и травление, промывку, осаждение на рабочую поверхность покрытия, термическую обработку. Неблагоприятным с экологической точки зрения является использование в составе электролитов для травления и нанесения покрытий сильных кислот. Например, в качестве электролита для хромирования обычно применяют хромовый ангидрид с добавками серной кислоты. Нерастворимые аноды изготовляют из свинца или сплава с сурьмой. При никелировании используется электролит из серно-кислого никеля и щавелево-кислого аммония. Травление ведут в электролите, состоящем из серной и фосфорной кислот. В состав электролита для оксидирования также входит серная кислота. Использование и последующая утилизация таких электролитов представляет собой сложную экологическую задачу.

Одним из способов ее решения является использование для повышения качества поверхностей деталей отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием, не оказывающей вредного экологического воздействия на окружающую среду

1.3 Повышение качества деталей пластическим деформированием

Применение пластического деформирования материала позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий [22, 23, 25]. В зависимости от назначения метода и пластических деформаций все эти методы можно разделить на три класса:

1) отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием;

2) формообразующая обработка пластическим деформированием;

3) отделочно-упрочняющая обработка пластическим деформированием.

К первому классу относятся все методы обработки заготовок, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин.

Во втором классе предусмотрены методы обработки заготовок, формирующие форму и размеры отдельных их элементов пластическим деформированием (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей). Дальнейшим их развитием является создание так называемых гладкорезьбовых соединений, (резьбовая шпилька вворачивается в гладкое отверстие).

К третьему классу относятся методы, осуществляющие отделочно-упрочняющую обработку поверхности без изменения ее формы при пластическом деформировании практически всей заготовки (калибрование наружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование). Дальнейшим развитием этих методов является одновременная обработка с запрессовкой. Достоинством этих методов обработки является то, что они наряду с улучшением состояния поверхностного слоя позволяют повысить точность размера.

В зависимости от функционального назначения изделия за счет изменения рабочего давления обработку можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточных отделочно-упрочняющих режимах.

Отделочная обработка осуществляется при небольших рабочих давлениях р£1,5s_т и позволяет повысить несущую способность исходной шероховатости поверхности с 1—2% до 15—20%. Упрочняющую обработку производят при р³Зs_т, при этом значительно повышается степень (до 180%) и глубина упрочнения. Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих режимах (1,5s_т <р<3s_т) позволяет улучшить несущую способность параметров шероховатости и волнистости и повысить исходную поверхностную микротвердость на небольшую глубину.

Все методы обработки заготовок пластическим деформированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а следовательно и их эксплуатационными свойствами. Однако их применение для этих целей требует грамотного и правильного подхода, так как каждый из этих методов имеет вполне определенные экономически целесообразные области применения.

Накатывание, обкатывание и раскатывание осуществляют специальным инструментом, рабочими элементами которого являются шарик (шарики) или ролик (ролики) от подшипников или специально изготовленный. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность детали происходит ее локальное пластическое деформирование в месте контакта. Наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности (плоские, цилиндрические, фасонные). Инструменты бывают упругими, когда сила, действующая на рабочий элемент, передается упруго (пружина, торсион), или жесткими, когда сила, действую­щая на рабочий элемент, передается жестко.

Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является твердосплавный или алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной, так как и при накатывании инструмент может быть упругим или жестким.

Виброобработка — это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания шариком (шариками) или алмазное выглаживание при наличии дополнительного осциллирующего движения рабочего элемента параллельно обрабатываемой поверхности. Варьирование амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента, наряду с изменением других режимов обработки, позволяет создавать на поверхности различные регулярные микрорельефы или системы канавок.

1.4 Цель и задачи исследований

Цель работы – повышение качества поверхностей деталей машин с использованием экологически безопасных технологических методов обработки.

Основные задачи исследования:

1.     Установление взаимосвязи эксплуатационных свойств (износостойкости и усталостной прочности) деталей типа ²тела вращения²с параметрами состояния их поверхностного слоя.

2.     Теоретические исследования закономерностей формирования поверхностного слоя деталей типа ²тела вращения² при различных методах обработки и анализ технологических возможностей этих методов.

3.     Прогнозирование эксплуатационных свойств деталей типа ²тела вращения² по режимам резания при обработке наружных и внутренних поверхностей вращения

4.     Экспериментальная проверка влияния параметров механической обработки на шероховатость обработанных поверхностей при точении, шлифовании, поверхностно-пластическом деформировании обкаткой.

5.     Разработка рекомендаций по выбору методов и режимов обработки, обеспечивающих наиболее экономичное получение требуемых параметров состояния поверхностного слоя наружных и внутренних поверхностей деталей типа ²тела вращения².

6.     Создание программного обеспечения расчетов параметров поверхностного слоя деталей типа ²тела вращения²с учетом их эксплуатационных свойств на базе математического пакета прикладных программ Mathcad 2000 Professional.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

2.1 Обоснование параметров поверхностного слоя деталей с учетом износостойкости и прочности

Износостойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой деталей машин. Износ служит причиной выхода из строя большинства машин (до 80%) и их деталей. Износостойкость деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении.

Известное уравнение [10] для расчета интенсивности изнашивания в период нормального износа при постоянных условиях работы и физико-механических свойствах материала в зависимости от параметров поверхностного слоя может быть представлено:

где р - давление на площадке контакта; n - число циклов воздействия, которое приводит к разрушению; n - параметр опорной кривой; l - коэффициент, учитывающий изменение данного числа циклов в связи с поверхностными остаточными напряжениями; t_m - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; H_m - поверхностная микротвердость; R_a - среднее арифметическое отклонение профиля; S_m - средний шаг неровностей; W_z - параметр волнистости; H_max – максимальное макроотклонение; m, Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости материала; К – постоянный коэффициент.

В соответствии со сложившимися представлениями, в результате приработки контактирующих поверхностей деталей образуется равновесная шероховатость, определяемая только условиями трения. При достижении равновесной шероховатости контактные перемещения стабилизируются, коэффициент трения и интенсивность изнашивания становятся минимальными. Оценка равновесного состояния поверхностей трения осуществляется в соответствии с комплексным параметром. Преобразуя уравнение интенсивности изнашивания (2.1), получаем выражение для комплексного параметра относительно параметров состояния поверхностного слоя [10]:

Для расчетов можно принимать k=1, c=0,2. Возможности различных методов обработки поверхностей в обеспечении комплексного параметра поверхностного слоя представлены в табл.2.1:

Таблица 2.1 – Значения комплексного параметра 

Полученные данные позволяют обосновывать совокупность параметров поверхностного слоя с учетом износостойкости.

В настоящей работе даются рекомендации по обоснованному назначению требований к параметрам состояния поверхностного слоя деталей и технологическим методам их обеспечения с учетом усталостной прочности.

Под сопротивлением усталости деталей машин  понимают их способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок. Многочисленными исследованиями установлено, что очаги разрушения деталей машин от усталости металла зарождаются на их поверхности. Исходя из этого, усталостная прочность деталей машин в значительной степени определяется состоянием их поверхностных слоев.

Предел выносливости деталей машин в основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя. Влияние неровностей поверхности детали учитываются с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений a _s, который может быть представлен в виде [10]:

где t _m - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, S _m - cредний шаг неровностей, R_max - максимальная высота профиля, R_р - высота сглаживания (расстояние от средней линии до линии выступов).

Преобразуя это уравнение относительно стандартизованных параметров шероховатости и действующих и остаточных напряжений, получаем:

где [s ] -предел выносливости материала, s ₀  - технологические остаточные поверхностные напряжения, s - действующие напряжения, R _а - среднее арифметическое отклонение профиля.

Полученное уравнение может быть использовано для анализа различных методов обработки и назначения в результате этого анализа окончательного метода обработки поверхности.

2.2 Формирование поверхностного слоя при точении и шлифовании

          Для описания закономерностей формирования поверхностного слоя деталей машин в зависимости от режимов обработки в настоящей работе используются известные эмпирические зависимости [10, 21, 25].

Взаимосвязь параметров состояния поверхностного слоя обрабатываемых деталей с параметрами механической обработки при чистовом точении и растачивании может быть представлена следующими зависимостями:

где V - скорость резания, м/мин; S - подача, мм/об; t - глубина резания, мм; r - радиус при вершине резца, мм; g  - передний угол резца; a - задний угол резца; j_ст - статическая жесткость станка, Н/мм.

Коэффициенты k_i  определяются по табл.2.2 и 2.3.

Таблица 2.2 – Значения коэффициентов для чистового точения 

Таблица 2.3 – Значения коэффициентов для чистового растачивания 

       Представленные зависимости позволяют прогнозировать параметры состояния поверхностного слоя: R_a - среднее арифметическое отклонение профиля; S_m - средний шаг неровностей; W_z - параметр волнистости; H_m - поверхностная микротвердость для заданных условий обработки.

Взаимосвязь параметров состояния поверхностного слоя обрабатываемых деталей с параметрами механической обработки для наружного и внутреннего шлифования может быть представлена следующими зависимостями:

       где V_з — скорость детали, м/мин; S_пр ― продольная подача, в долях от ширины круга B, (для расчетов можно принимать В=63мм, S_пр;=(0,3-0,8)B;  S_рад ― радиальная подача, мм/двойной ход; N ― число выхаживаний; H ― твердость круга, принимается для кругов твердостью СТ2: Н=5, для кругов твердостью СМ: Н=1; z ― зернистость круга;  j_ст ― статическая жесткость станка, кН/мм.

Коэффициенты k_i  определяются по табл.2.4 и 2.5.

Таблица 2.4 – Значения коэффициентов для наружного шлифования 

Таблица 2.5 – Значения коэффициентов для внутреннего шлифования 

        Представленные зависимости позволяют прогнозировать параметры состояния поверхностного слоя: R_a - среднее арифметическое отклонение профиля; S_m - средний шаг неровностей; W_z - параметр волнистости; H_m - поверхностная микротвердость для заданных условий обработки.

2.3 Формирование поверхности при отделочно-упрочняющей обработке

На основании исследования закономерностей формирования поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке установлены основные взаимосвязи параметров состояния поверхностного слоя с параметрами обработки [10, 21, 25].

При накатывании шариками наружных цилиндрических поверхностей параметр шероховатости R_a рассчитывается следующим образом:

где R_{a исх} – исходная шероховатость, d – диаметр ролика, ,v, s – скорость и подача, s _max – максимальные напряжения на контакте.

При алмазном выглаживании наружных цилиндрических поверхностей параметр шероховатости R_a определяется следующим образом:

где d_a – диаметр алмазного индентора

        Представленные зависимости позволяют прогнозировать среднее арифметическое отклонение профиля R_a для заданных условий обработки.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ

3.1 Планирование эксперимента

        Целью экспериментальных исследований является установление зависимости математического ожидания параметров шероховатости от условий обработки, называемых далее факторами.

        Задача планирования эксперимента заключается в определении функции отклика факторов, которая в общем случае аналитически выражается в виде математической модели:

В данных исследованиях проводится полный трехфакторный эксперимент с варьированием факторов на двух уровнях, позволяющий описать процесс линейной моделью, включающей также и взаимодействие факторов. Таким образом, в исследованиях используется экспериментальный план типа 2³, где N = 3 – число факторов, 2 – число уровней их варьирования.

Зависимость параметров шероховатости от условий обработки обычно выражается степенной моделью:

Линеаризация путем логарифмирования указанной зависимости (3.2) позволяет перейти к линейной модели:

Для трехфакторного эксперимента выборочное уравнение регрессии:

где b₀,b_i,b_j,b_1.2.3 – выборочные коэффициенты регрессии, которые можно получить, пользуясь результатами эксперимента; x₁,x₂,x₃ – независимые переменные (факторы), которыми можно варьировать при постановке эксперимента.

Цель исследований в настоящей работе – выявить влияние усилия накатывания (нормальной силы) Р, подачи S, угла поворота ролика в вертикальной плоскости a на шероховатость поверхности получаемой при обкатывании роликом.

Приборы и оборудование, использовавшееся в эксперименте: заготовка – валик цилиндрической формы, диаметром 43 мм, материал – сталь 20 ГОСТ 1050-88; профилометр № 283; токарно-винторезный станок 1К62; накатник механического типа, однороликовый, с возможностью поворота оси ролика в вертикальной плоскости; ролик цилиндрической формы, диаметр 70 мм, профильный радиус 40 мм, материал – сталь ХВГ ГОСТ 5950-88.

Конструкция накатника представлена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Эскиз накатного ролика

Ролик 1 насажен на бронзовые втулки 10, которые, вращаясь на пальце 9, играют роль подшипников скольжения. Палец крепится в вилке 8, соединяемой резьбой со штоком 3. При помощи тарированной пружины 4 создается давление ролика на деталь. Гайка 5 фиксирует пружину. Поворот штока с роликом производится при помощи поводка 7. Угол поворота фиксируется болтом и гайкой, перемещающейся в пазе копира 6. Приспособление крепится в резцедержателе токарно-винторезного станка при помощи струбцины 2.

В работе проведен полный факторный эксперимент 2³.

Для перевода натуральных переменных в кодовые x_i заполняется таблица 3.1кодирования факторов на двух уровнях.

Таблица 3.1 – Кодирование факторов.

Связь между кодовым и натуральным выражением факторов

где X_i – натуральное значение фактора; x_i.0 – значение i-го фактора на нулевом уровне.

Матрица планирования эксперимента 2³т представлена в табл. 3.2.

Таблица 3.2 – Матрица планирования 2³.

При проведении данного эксперимента на шероховатость поверхности оказывают влияние не только x₁, x₂, x₃, но и ряд других факторов, в первую очередь жесткость и вибрации системы, исходная шероховатость. Для того, чтобы внести элемент случайности влияния этих факторов на результат эксперимента, устанавливается случайный порядок постановки опытов во времени (рандомизация). Рандомизированная матрица представлена в табл. 3.3.

Таблица 3.3 - Рандомизированная матрица. 

Деталь – валик разбивается радиальными канавками на 10 участков, каждый из которых обрабатывается согласно плану эксперимента. Для каждого исследуемого участка необходимо взять выборку из n измерений.

Задаемся гарантированной вероятностью Р_Г=0,9, и точностью DRа=2S_Ra. определения среднего значения шероховатости Rа с Так как DRa=t*S_Ra , где t – коэффициент Стьюдента (t=2). Определяем n=6.

3.2 Обработка результатов экспериментов

Среднее арифметическое значение шероховатости и среднеквадратическая ошибка в каждой точке плана рассчитываются по формулам:

Результаты измерений и расчетов Ra_j и S_j представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 – Протокол результатов измерений и расчетов Ra_j и S_j.  

Дисперсии выборки S₁²,S₂²,…,S_m² несколько отличаются друг от друга, поэтому необходимо проверить гипотезу о том, что это различие дисперсий носит случайный характер. Оценка производится по критерию Кохрена:

где 0,05 – уровень значимости (5%); f_m = m = 10 – число независимых оценок дисперсии; f_i=n-1=6-1=5 – число степеней свободы каждой оценки; значение критерия Кохрена G(0,05; 5; 10)=0,3029.

;

Исследуемый процесс считается воспроизводимым, так как выполняется неравенство: 0,2246<0,3029.

Дисперсия воспроизводимости и ее степени свободы определяются следующим образом:

 мкм.

В случае воспроизводимости процесса коэффициенты регрессии рассчитываются по следующим зависимостям:

;

;

;

;

;

;

;

.

Оценка значимости каждого коэффициента проводится с помощью критерия Стьюдента t_кр. Половина длины доверительного интервала:

где t_кр(0,05;10)=2,23 – критическое значение критерия Стьюдента при 5% - ном уровне значимости f_m = m = 10: t_кр(0,05;10) = 2,2281.

;

Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше половины длины доверительного интервала:

Коэффициент регрессии b₂₃ оказался незначимым. Выборочное уравнение регрессии, только с учетом значимых коэффициентов, имеет вид:

М=0,4896-0,2449x₁+0.1309x₂+0.0169x₃-0.0475x₁x₂+0.0161x₁x₃++0.0183x₁x₂x₃.

3.3 Проверка адекватности модели и анализ результатов.

Для проверки гипотезы об адекватности представления результатов эксперимента найденному уравнению регрессии, достаточно оценить отклонение, предсказанное уравнением регрессии М(Ra) от результатов эксперимента Ra_j в различных точках факторного пространства.

Рассеяние результатов эксперимента относительно уравнения регрессии характеризуется с помощью остаточной дисперсии адекватности при числе степеней свободы f_ад:

где z=8 – число коэффициентов регрессии вычисленное по результатам опытов независимо друг от друга.

Результаты расчетов сведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5 – Проверка адекватности линейной модели

f_ад=10-8=2.

Проверка гипотезы об адекватности модели производится с использованием критерия Фишера F. Модель адекватна, если выполняется условие:

где F(0,05;f_ад;f_m)=4,1 – критерий Фишера при 5% уровне значимости.

.

Условие выполняется, следовательно, модель адекватна результатам эксперимента. Как видно из уравнения регрессии, наиболее существенное влияние на значение шероховатости поверхности оказывают сила обкатывания и подача. Причем, при увеличении силы обкатывания, шероховатость снижается, а при увеличении подачи повышается. Угол поворота ролика в вертикальной плоскости оказывает незначительное влияние на шероховатость. Эти результаты вполне подтверждают теоретические положения в данном диапазоне параметров.

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

4.1 Выбор режимов резания при обработке точением

На основании зависимости (2.5) разработаны рекомендации по выбору режимов резания при чистовом точении.

В настоящей работе произведено сравнение тонкого точения и круглого шлифования по производительности и достигаемым параметрам шероховатости.

Для тонкого точения параметр шероховатости поверхности R_a равен:

где s - подача, g  - передний угол; r - радиус при вершине, v - скорость.

Для круглого чистового шлифования:

где S_пр - продольная подача, z - зернистость круга, P - сила резания.

        Представленные зависимости позволяют прогнозировать показатели шероховатости обработанной поверхности от параметров обработки при тонком точении и шлифовании для различных условий. На основании этих зависимостей выполнено сравнение указанных методов обработки.

Графики зависимости шероховатости R_a от подачи S при тонком точении и шлифовании торцом чашечного алмазного круга приведены на рис.4.2. Параметры обработки при точении: передний угол g =-10°, радиус r = 0,4мм, скорость резания v = 100м/мин (1); при шлифовании: сила резания P = 100Н, зернистость z = 20 (2) и z = 40 (3).

Анализ результатов прогнозирования позволил установить область рационального использования тонкого точения взамен шлифования, в которой параметры шероховатости поверхностей, обработанных точением, не превышают параметры шероховатости при шлифовании. Установлено, что при значении зернистости z>20 и значениях остальных параметров на указанном уровне, практически во всем диапазоне изменения подач тонкое точение целесообразнее шлифования.

        На основании зависимости (4.1) разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров тонкого точения, обеспечивающих требуемый уровень параметров шероховатости поверхности. Графики на рис.4.3 представлены в виде линий уровня двухпараметрических зависимостей параметра шероховатости R_a от режимов резания – скорости V и подачи S, оказывающих наибольшее влияние на шероховатость.

При сравнении тонкого точения минералокерамическими и алмазными резцами со шлифованием по производительности доказана возможность снижения трудоемкости токарной обработки за счет существенного снижения количества проходов, что также подтверждает целесообразность использования этого метода взамен шлифования. При этом наряду со снижением трудоемкости, себестоимость обработки уменьшается еще и за счет исключения из технологического процесса шлифовальных операций.

4.2 Выбор режимов обработки с учетом износостойкости и прочности

Одной из основных задач при разработке технологических процессов изготовления деталей машин является выбор условий обработки, позволяющих получить требуемый уровень качества изделия.

Взаимосвязь параметров состояния поверхностного слоя обрабатываемых деталей с параметрами механической обработки при чистовом точении и растачивании описана зависимостью (2.5).

Уравнение интенсивности изнашивания (2.1) с учетом (2.5) может быть представлено как зависимость интенсивности изнашивания от параметров механообработки. Целесообразно рассматривать его на основании относительных показателей в сравнении с вариантом обработки, принятым за базу: I_o =I/I_б, V_o =V/V_б и т.д.:

Влияние параметров механообработки на интенсивность изнашивания I_o представлено на рис. 4.5 и рис.4.6.

Рисунок 4.5 – Влияние на I_o скорости резания V_o и подачи S_o – а); радиуса при вершине r_o и переднего угла g_о - б)    при точении

Рисунок 4.6 – Влияние на I_o скорости резания V_o и подачи S_o – а); радиуса при вершине r_o и переднего угла g_о - б) при растачивании

Графики представлены в виде линий уровня двухпараметрических зависимостей интенсивности изнашивания I_o от режимов резания – скорости V_o и подачи S_o, а также геометрических параметров инструмента - радиуса при вершине r_o и переднего угла g_о, оказывающих наибольшее влияние на износостойкость. Эти графики позволяют учитывать одновременное влияние изменения скорости и подачи, а также радиуса при вершине и переднего угла на интенсивность изнашивания. Линия уровня I_o = 1 соответствует базовому варианту обработки (оптимальному по производительности или себестоимости). По остальным линиям уровня может оцениваться изменение интенсивности изнашивания при изменении режимов резания или геометрических параметров.

Проанализированы различные варианты окончательной обработки поверхностей деталей типа ²тела вращения²: чистовое точение, шлифование, накатывание (принято, что [s ] =   МПа, s =   Мпа)

При чистовом точении t_m=45%, R_а=R_max/6, s₀=150 Мпа. Подставляя эти данные в расчетное уравнение, получаем: R_max/S_m =25. Этому соотношению соответствуют: S_m=0,16мм, R_max=4,0мкм. При шлифовании t_m=50%, R_а=R_max/7, s₀=50Мпа. Расчетом  получаем: R_max/S_m=32, что соответствует S_m=0,047мм,. R_max=1,5мкм. При накатывании t_m=60%, R_а=R_max/5, s₀=-400Мпа. Расчетом получаем R_max/S_m=40, что соответствует S _m = 0,25мм,. R _max = 10,0мкм.

Закономерности изменения соотношения R_max/S_m в зависимости от величины остаточных напряжений представлены на рис.4.7.

 Рисунок 4.7 - Зависимость соотношения R_max/S_m от величины остаточных напряжений s₀  при различных видах обработки: 1) чистовое точение, 2) шлифование, 3) накатывание

Анализ полученных значений шероховатости показывает, что увеличение ее высоты R _max , оказывающей отрицательное влияние на предел выносливости, компенсируется увеличением шага S _m  и сжимающих остаточных напряжений s₀ , оказывающих положительное влияние на усталостную прочность.

       Таким образом, на основании предложенной методики с учетом всего комплекса параметров поверхностного слоя деталей количественно оценивается изменение интенсивности изнашивания в зависимости от параметров механообработки, что позволяет обоснованно выбирать наиболее рациональные из них.

ВЫВОДЫ

На основании исследования закономерностей формирования поверхностного слоя деталей при обработке точением и методами поверхностно-пластического деформирования установлены теоретические зависимости, подтвержденные экспериментальными исследованиями, между шероховатостью обработанной поверхности и условиями обработки.

С использованием полученных зависимостей выполнено прогнозирование параметров шероховатости обработанной поверхности в зависимости от планируемых условий обработки, а также регламентированы режимы обработки деталей по заданным параметрам шероховатости их поверхностей.

В результате исследования взаимосвязи усталостной прочности и износостойкости поверхностей деталей машин с параметрами состояния поверхностного слоя разработаны рекомендации по выбору методов и режимов обработки, обеспечивающих получение требуемых параметров состояния поверхностного слоя наружных и внутренних поверхностей вращения.

С использованием разработанной методики обоснована возможность повышения качества поверхностей с использованием экологически безопасных методов обработки и обеспечением заданного уровня прочности и износостойкости.

Установлено, что применение отделочно-упрочняющей обкатки шариками наружной поверхности вращения вала взамен шлифования, в 1.5 раза снижает интенсивность изнашивания и в 1.4 раза повышает усталостную прочность, а, следовательно, повышает ресурс изделий в целом.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Исаев А.И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке. - М.: Машиностроение, 1950.- 160с.

2. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. - М.: Машиностроение, 1976.- 278с.

3. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности “Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты”. - Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985.- 496с.

4. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971.- 203с.

5. Рыжов Э.В. , Суслов А.Г. , Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979.- 175с.

6. Силин С.С. Метод подобия при резании металлов. - М.: Машиностроение, 1979.- 153с.

7. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. - Л.: Машиностроение, 1972.- 210с.

8. Ящерицын П.И. , Рыжов Э.В. , Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. -  Минск: Высш. школа, 1977.- 254с.

9.  Дальский А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. - М.: Машиностроение, 1975- 222с.

10. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987.- 208с.

11. Кудинов В.А. Динамика станков. - М.: Машиностроение, 1967.- 369с.

12. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1955.- 515с.

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

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

15. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981.- 278с.

16. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. - М.: Машиностроение, 1979.- 160с.

17. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник под ред. А.И. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977- 390с.

18. Петрусевич А.И. Контактная прочность деталей машин. - М.: Машиностроение, 1969.- 242с.

19. Безъязычный В.Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам качества поверхностного слоя. - Ярославль:1978.- 86с.

20. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С.Колесников, Г.Ф.Баландин. А.М.Дальский и др.; Под общ. ред. К.С.Колесникова. - М.: Машиностроение, 1990. -256с.

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

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

23. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1, / Под ред. П.Н. Усачева. - Изд. 3-е, испр. - М.: Машиностроение, 1988.- 560с.

24. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А.Панов, В.В.Аникин, Н.Г.Бойм и др.; Под общ. ред. А.А.Панова. - М.: Машиностроение,1988. - 736с.

25. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под  ред. А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. - М.: Машиностроение . 1985. - 496с.

BACK