Биография   Электронная библиотека   Ссылки по теме   Отчёт о поиске   Индивидуальное задание

ENG      

АВТОРЕФЕРАТ

По теме магистерской работы: "Повышение качества обработки деталей машин с использованием комбинированных методов обработки"

Руководитель: доцент ИВЧЕНКО Татьяна Георгиевна

Актуальность работы

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.

Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в комплексном подходе к обоснованию и технологическому обеспечению системы параметров поверхностного слоя с учетом эксплуатационных свойств, а также в разработке практических рекомендаций по их реализации в производственных условиях.

Методы повышения качества деталей машин

Большие возможности в технологическом управлении качеством поверхности деталей машин имеют такие прогрессивные методы обработки, как разновидности отделочно-упрочняющей обработки, в основе которых заложено поверхностное пластическое деформирование (ППД). Требуемые параметры качества поверхности и практически все важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин могут быть обеспечены процессами упрочнения их методами поверхностного пластического деформирования, максимально проявляющими потенциальные возможности материала. Применение пластического деформирования материала позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий. В зависимости от назначения метода и пластических деформаций все эти методы можно разделить на три класса: 1) отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин); 2) формообразующая обработка пластическим деформированием (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей); 3) отделочно-упрочняющая обработка пластическим деформированием (калибрование наружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование). Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной.

Рисунок 1 - Схема алмазного выглаживания ( Анимированный рисунок, количество кадров - 27, число циклов повторения - бесконечное )

Накатывание, раскатывание и обкатывание осуществляют специальным инструментом. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность происходит её локальное пластическое деформирование в месте контакта, наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности 9 плоские, цилиндрические, фасонные.

Комбинированная обработка

Особое место среди методов повышения качества деталей машин занимает комбинированная обработка, совмещающая лезвийную и отделочно-упрочняющую обработки. В настоящее время для обработки наружных и внутренних поверхностей вращения достаточно широкое распространение получило совместное точение и обкатывание, осуществляемое с применением комбинированных инструментов, сочетающих в себе режущие и деформирующие элементы. Преимущества совместной обработки резанием и ППД различных поверхностей комбинированными инструментами по сравнению с раздельной обработкой неоспоримо доказаны в современной литературе [6]. Такой метод позволяет не только повысить качество поверхности, но и даёт возможность увеличить производительность, снизить трудоёмкость обработки, что является существенным преимуществом комбинированной обработки перед другими способами повышения качества поверхностного слоя. Однако в настоящее время в справочно-нормативной документации недостаточно полно представлены сведения о рациональной области применения комбинированной отделочно-упрочняющей обработки. Следовательно, использование этого метода требует более подробного исследования и обоснования качества обработанной поверхности в зависимости от свойств обрабатываемого материала, режимов резания, эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей. Таким образом, все методы обработки поверхностным пластическим де-формированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а следовательно и их эксплуатационными свойствами. Опыт современного машиностроения свидетельствует, что при совмещении процесса лезвийной обработки с ППД предоставляется возможность наряду с повышением эксплуатационных свойств изготовляемой продукции одновременно повысить точность и производительность технологического процесса обработки в целом.

Обзор существующих исследований

Эксплуатационные свойства деталей и их соединений (износостойкость, жесткость и прочность, герметичность соединений, прочностью посадок) определяют основной показатель качества машин – надежность. В настоящее время имеется большое число математических зависимостей для определения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений, описанных а работах Крагельского И.В.[11,12], Михина Н.М. [13]. Однако эти зависимости, как правило, носят эмпирический характер, а теоретические уравнения не учитывают состояние поверхностного слоя во всех его геометрических и физико-механических аспектах. В работах Суслова А. Г. [7, 34, 35], Безъязычного В. Ф. [33] приведены универсальные теоретические зависимости для определения эксплуатационных свойств деталей с учётом параметров состояния поверхностного слоя (шероховатости, волнистости, макроотклонения и физико-механических свойств). Износостойкость – эксплуатационное свойство, определяющее способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжении, трении-качении, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. В результате износа деталей машин понижается КПД, теряется точность, снижается прочность, увеличиваются динамические нагрузки, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях, повышается шум при работе. Исследования [5, 7, 11-14, 30, 33-35] по влиянию на износостойкости параметров состояния и физико-механических свойств поверхностного слоя свидетельствуют о возможности управления износостойкостью деталей машин путём выбора рациональных методов обработки. Проведены различные исследования такого эксплуатационные свойства как усталостная прочность [1, 2, 12, 15, 30, 33]. Усталостная прочность – это способность деталей машин сопротивляться разрушению в течение определенного промежутка времени при действии на них знакопеременных нагрузок. В результате исследований установлено, что разрушение деталей машин от усталости металла начинается на их поверхности, а, значит, определяется шерохо-ватостью и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя. Кроме того, усталостная прочность деталей машин зависит не только от величины шероховатости, но и в большей степени от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя. Герметичность соединений определяет их способность удерживать утечку газа или жидкости. В результате проведенных исследований [1, 2, 7, 30, 33-35] выяснилось, что герметичность соединений наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими свойствами его материала и факторами внешнего воз-действия также зависит от параметров шероховатости, волнистости, макроот-клонения и степени упрочнения контактирующих поверхностей. Контактная жесткость определяет способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать. Контактная жесткость оказывает значительное влияние на точ-ность работы механизмов, на точность установки деталей на станках, в приспо-соблениях, на точность обработки и сборки деталей, а в результате – на качество машиностроительных изделий. Как показали исследования [1, 2, 12,], на кон-тактную жесткость также влияет качество поверхности сопрягаемых деталей. свойства. На данный момент произведено большое количество исследований по вопросу закономерностей формирования поверхностного слоя деталей машин. Выполнен анализ многочисленных факторов, влияющих на параметры поверхностного слоя деталей машин, установлены взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки, выявлены пути управления качеством поверхности [7, 8, 14]. Большинство исследований закономерностей формирования поверхностного слоя посвящено параметрам шероховатости поверхности [7, 8]. Особо актуальным становится необходимость решения этого вопроса для комбинированных вариантов обработки, так как данная проблема недостаточно изучена в существующей литературе, имеющиеся работы по технологическому обеспечению эксплуатационных свойств деталей машин при комбинированной обработке носят разрозненный характер, некоторые не отвечают современным требованиям. Всё это обуславливает необходимость более чёткого обоснования обеспечения требуемых эксплуатационных показателей деталей машин на стадии конструкторско-технологической подготовки производства с широким применением для этих целей ЭВМ.

Влияние параметров состояния поверхностного слоя деталей машин на эксплуатационные свойства

Исследование износостойкости

Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин неразрывно связано с параметрами состояния поверхностного слоя деталей, определяющих их эксплуатационные свойства. Важнейшие эксплуатационные характеристики деталей машин – износостойкость, прочность, герметичность в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Для успешного решения задачи повышения качества машин необходимо рассмотреть теоретические аспекты влияния параметров состояния поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства. Износостойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой деталей машин. Для большинства машин основной причиной отказов является достижение предельно допустимого уровня износа их наиболее ответственных деталей, в связи с чем повышение износостойкости деталей машин является весьма актуальной задачей. Износостойкость деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Известное уравнение [7] 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 tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; Sm - средний шаг неровностей; Wz - параметр волнистости; Hmax – максимальное макроотклонение. К – постоянный коэффициент, зависящий от свойств материала детали и условий ее нагружения.

Исследование усталостной прочности

Усталостная прочность деталей машин - это их способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок. Предел выносливости деталей машин в основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя. Неровности, образующиеся на поверхности детали при их обработке являются концентраторами напряжений и служат одной из причин снижения предела выносливости. Влияние параметров шероховатости поверхности детали учитываются с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений, который может быть представлен в виде [7]:

где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, Sm - cредний шаг неровностей, Rmax - максимальная высота профиля, Rр - высота сглаживания (расстояние от средней линии до линии выступов).

Из приведенного уравнения видно, что сопротивление усталости деталей машин в основном зависит от величины и знака поверхностных остаточных напряжений и степени наклёпа, глубины их залегания и закона распределения, максимальной высоты неровностей шероховатости и глубины их сглаживания, среднего шага неровностей профиля шероховатости и относительной опорной длины профиля на уровне средней линии. Экспериментальные исследования [7] сопротивления усталости, проведенные на образцах из стали 30ХГСА (НRС 35-37), показали, что предел выносливости образцов при уменьшении их шероховатости с Rа =0,74мкм до Rа =0,22мкм в среднем увеличивается на 14%, а срок службы более чем в 3 раза. Повышение предела выносливости и увеличение долговечности деталей при комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработке можно объяснить совместным действием следующих факторов. В результате поверх-ностного пластического деформирования увеличиваются радиусы впадин и гребешков поверхности, поэтому концентрация напряжений, пропорциональная кривизне элементов микрорельефа, снижается, что замедляет развитие усталостных трещин.

где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, Sm - средний шаг неровностей, Rmax - максимальная высота профиля, Rа - среднее арифметическое отклонение профиля.

Преобразуем уравнение (3) относительно соотношения Rmax/Sm, получим выражение для анализа факторов, влияющих на усталостную прочность:

Таким образом, исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение в каче-стве окончательной обработки совместное точение и ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.

Исследование герметичности

Герметичность соединений деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, формируемого на окончательных операциях механической обработки. Поэтому важной задачей является исследование взаимосвязей герметичности соединений с параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, формируемыми при комбинированном методе обработки точением и поверхностно-пластическим деформированием. Герметичность соединений определяет их способность удерживать утечку газа или жидкости [7]. Из закона Дарси для фильтрационного потока утечка, характеризующая герметичность, может быть определена по формуле:

где l и D -размеры соединения, H - толщина пористого слоя под нагрузкой, k" - коэффициент проницаемости.

Толщина пористого слоя под нагрузкой с учетом шероховатости, волнистости и макроотклонения сопрягаемых поверхностей равна:

где H1 - высота пористого слоя в контакте без нагрузки; yск- контактное сближение деталей при скольжении; Rz - средняя высота неровностей профиля; Wz - параметр волнистости; Hmax - максимальное макроотклонение.

Коэффициент проницаемости k" определяется следующим образом:

где U - константа Кармана (0,20-0,22), m - пористость, равная отношению приведенного объема к общему пористому объему в соединении:

где А – геометрическая площадь контакта, h - первоначальный зазор в стыке:

где Rр, Wр, Hр - высоты сглаживания профиля шероховатости, волнистости и макроотклонения соответственно.

Удельная смачиваемость контактирующих поверхностей:

где Sп - внутренняя поверхность пор, т.е. фактическая площадь соприкосновения контактирующих поверхностей с жидкостью: Sn = 10,88A; Vм - объем металла в пористом слое: Vм = AH(1-m). Принимая коэффициент заполнения объема равным 0,5, получим

где Ra - среднее арифметическое отклонение профиля.

Подставляя последнее выражение (11) в формулу удельной смачиваемости (10), а затем полученное значение и коэффициент проницаемости (7) в формулу (5) для фильтрационного потока, получим:

Анализ полученной формулы показывает, что герметичность соединений наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими свойствами его материала и факторами внешнего воздействия также зависит от состояния контактирующих поверхностей: параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax.

Возможности метода лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей вращения в обеспечении указанных параметров состояния поверхностного слоя представлены в табл. 1. Для сравнения приведены возможности алмазно-абразивной обработки. Анализ указанных в таблице значений параметров обработки поверхностей вращения свидетельствует о том, что методы поверхностно-пластического деформирования обладают достаточно хорошими возможностями в обеспечении наименьших значений параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax.

Таблица 1 - Возможности методов обработки поверхностей вращения в обеспечении качества обработанной поверхности

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

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

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

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

4. 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. – 944 с.

5. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С.Колесников, Г.Ф.Баландин, А.М.Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1990. – 256с.

6. Поляк М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2-х т. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1995. – 688 с.

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

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

9. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.

10. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин. – М.: Машиностроение, 1978. – 184 с.

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

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

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

Биография   Электронная библиотека   Ссылки по теме   Отчёт о поиске   Индивидуальное задание