1. Введение

      Обработка металлов поверхностным пластическим деформированием (ППД) основана на свойстве тонкого поверхностного слоя и микронеровностей пластически деформироваться под действием приложенного к деформирующему элементу усилия.

      Сущность обработки ППД состоит в том, что под давлением деформирующего элемента (ролик, шарик, алмазный выглаживатель и т. д.) металл выступов микрогребешков в месте контакта с деформирующим элементом сминается и перемещается впереди и сзади элемента, затекая в смежные впадины и выдавливая металл из впадин вверх. Образуется новая поверхность с микронеровностями, форма, высота и шаг которых определяются основными параметрами режима накатывания.

      В результате ППД шероховатость поверхности уменьшается на два — четыре класса при обработке стали и на один — два класса — при обработке чугуна.

      Особенностями микропрофиля, полученного при обработке ППД, являются: значительная однородность микронеровностей как по форме, так и по высоте; большая величина отношения шага микронеровностей к их высоте; особая форма микрогребешков; геометрическая зависимость между высотой выступов микронеровностей, величиной подачи и геометрическими параметрами деформирующего элемента при обработке ППД проявляется более четко, чем при обработке резанием. В связи с этим при обработке ППД можно достичь малых величин шероховатости даже при работе на изношенных и недостаточно жестких станках.

      При обработке ППД изменяются не только шероховатость поверхности и размеры заготовки, но практически все физико-механические свойства поверхностного слоя металла, а также его структура: повышаются твердость, пределы упругости, текучести и прочности, а также усталостная прочность металла, одновременно снижаются показатели пластичности — относительное удлинение и ударная вязкость. При этом чем выше степень деформации, тем больше глубина деформированного упрочненного слоя.

      В настоящее время методы ППД для размерно-чистовой и упрочняющей обработки различных деталей машин находят все более широкое применение на заводах всех отраслей машиностроения и приборостроения.

      Существует несколько способов обработки различных поверхностей деталей машин методом ППД, основанных на различных схемах деформирования металла в зоне контакта рабочих элементов инструмента с обрабатываемой поверхностью. В связи с этим разработано большое количество конструкций инструментов, имеющих в своем составе как режущий так и деформирующий элемент. Применение в обработке таких конструкций инструментов реализует метод совмещенной обработки (СО) поверхностей резанием и ППД с использованием комбинированных инструментов(КИ).

      Применение СО позволяет в 2-3 раза увеличить производительность механической обработки, повысить усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость детали [1]. При этом обеспечивается шероховатость поверхности мкм, достигается степень упрочнения поверхностного слоя на глубину 0,1…12 мм, в поверхностном слое формируются благоприятные напряжения сжатия [5, 6].

      В развитие методов совмещенной обработки резанием и ППД большой вклад внесли работы П.С. Чистосердова, Г.М. Азаревича, А.М. Кузнецова, В.М. Смелянского, Ю.Г. Шнейдера и их учеников [2-5].

      Известно применение схем совмещенной обработки резанием и ППД для отделки внутренних поверхностей втулок, наружной поверхности валов, плоских и торцовых поверхностей [8].

      Автором проанализирован метод повышения точности СО валов путем разгрузки режущего и деформирующего элементов КИ на кинематически независимые узлы технологической системы.

2. Типы комбинированных инструментов (КИ) для совмещенной обработки (СО) резанием и поверхностно-пластическим деформированием (ППД)

      Неуравновешенный КИ состоит, как правило, из корпуса и установленных в нем последовательно режущего и деформирующего элементов.

      Характерными особенностями неуравновешенных КИ являются: простота конструкции, надежность в эксплуатации, малая себестоимость и возможность переналадки на другой типоразмер обрабатываемой детали [3, 4, 5]. Указанные преимущества неуравновешенных КИ открывают им перспективы широкого внедрения в ГПС.

      Существующее многообразие КИ можно разделить на две группы: инструменты с упругой связью деформирующего узла с корпусом инструмента; инструменты с жесткой связью деформирующего узла с корпусом инструмента.

      Инструменты второй группы более просты в изготовлении. Однако они не могут обеспечить равномерность упрочнения обрабатываемой поверхности детали вследствие имеющихся неточностей формы заготовки и погрешностей базирования. В связи с этим, КИ с жесткой связью деформирующего узла не нашли широкого применения.

      Обработка деталей неуравновешенными КИ первой группы предпочтительнее, так как достигается равномерное упрочнение всей поверхности и уменьшается величина упругих перемещений инструмента и детали, снижающих точность обработки. Для обеспечения усилия деформирования в таких КИ предусмотрен силовой элемент, выполненный в виде пружины или пневматического или гидравлического механизмов.

      Существуют конструкции неуравновешенных КИ как с расположением режущего и деформирующего элементов в одной плоскости, так и в разных, смещенных по углу плоскостях. КИ с расположением режущего и деформирующего элементов в одной плоскости проще в эксплуатации и их легче переналаживать на другой тип обрабатываемого вала. Однако производительность обработки при использовании таких КИ несколько ниже, так как вершины режущего и деформирующего элементов удалены друг от друга на значительное расстояние вдоль оси заготовки. КИ с угловым смещением обрабатывающих элементов наоборот, обеспечивают повышение производительности обработки, но сложны в эксплуатации.

      Значительное место в общей номенклатуре неуравновешенных КИ занимают КИ с чистовым режущим элементом [5]. КИ такого класса позволяют совместить в один технологический переход операции чернового снятия припуска, тонкого точения и окончательного поверхностного пластического деформирования сформированной поверхности. Производительность обработки при использовании такого инструмента (по отношению к раздельным методам обработки) повышается в три и более раз. Имеющий место в процессе СО размерный износ чернового резца при этом не приводит к потере точности, поскольку чистовой режущий элемент снимает минимальный припуск и окончательно формирует размер детали.

      Общим недостатком рассмотренных инструментов является то, что режущий и деформирующий элементы в процессе СО входят в контакт с деталью последовательно. Вследствие этого в момент вступления в работу деформирующего элемента технологическая система нагружается усилием деформирования, что вызывает упругое смещение детали и инструмента также последовательно, что приводит к появлению на детали ступенек и тем самым снижает точность обработки.

      Таким образом, проведенный анализ литературных источников показал, что существующие методы совмещенной отделочно-упрочняющей обработки резанием и ППД часто не удовлетворяют требованию обеспечения заданной точности размеров валов.

      На основании изложенного, была поставлена задача повышения точности СО валов резанием и ППД на основе выбора рациональной схемы формообразования и динамических параметров комбинированного инструмента.

3. Методы повышения точности формообразования поверхности вала при СО неуравновешенным КИ

      Одним из методов повышения точности СО деталей неуравновешенным КИ является метод предварительного нагружения технологической системы усилием деформирования, разработанный П.С.Чистосердовым и В.Г.Беляем [4, 5].

      Суть метода состоит в том, что до начала обработки деформирующий элемент КИ вводят в контакт с дополнительным технологическим элементов, искусственно введенным в технологическую систему и нагружают ее (систему) усилием деформирования. Резец КИ настраивают на требуемый размер статической настройки. После этого детали сообщают вращение, а инструменту - движение осевой подачи. Первым в работу вступает режущий элемент и снимает с детали установленный припуск на обработку. Затем в контакт с полученной резцом поверхностью входит деформирующий элемент и окончательно формирует качественные характеристики обрабатываемой детали. Так как в процессе СО на технологическую систему действует постоянная сила, то упругих отжатий инструмента и детали не происходит. Снижение точности обработки в момент вступления в работу деформирующего элемента не наблюдается.

      Следует отметить, что применение рассмотренного метода для обработки валов затруднено по следующим причинам:

отсутствуют экспериментальные данные, подтверждающие возможность применения метода для обработки валов.

      Установленные недостатки снижают технологические возможности метода. В связи с этим его целесообразно применять в массовом и крупносерийном типах производства.

      Особый интерес представляет метод повышения точности СО валов путем разгрузки режущего и деформирующего элементов КИ на кинематически независимые узлы технологической системы. Для реализации способа [6] разработано специальное устройство. Оно состоит из корпуса КИ, режущего и деформирующего элементов, направляющей линейки и вилки. Режущий и деформирующий элементы установлены в корпусе КИ. Консоли направляющей линейки жестко соединяют с центрами станка, а корпус с режущим элементом разгружают на рабочую поверхность направляющей линейки. Деформирующий элемент устанавливают в отверстие корпуса и разгружают на торцовую поверхность вилки, степень деформирования при этом задается пружиной, сжимаемой винтом. Вилка закреплена в резцедержателе.

      Обрабатываемую детали закрепляют в центрах станка, сообщают вращение и перемещают резцедержатель вдоль поверхности обработки.

      Первым в работу вступает режущий элемент и снимает установленный припуск на обработку. Затем в контакт с деталью входит деформирующий элемент, нагружая технологическую систему усилием деформирования. Так как направляющая линейка посредством консолей жестко связана с центрами станка, то при этом относительных упругих перемещений режущего элемента и детали не происходит, что обеспечивает высокую точность формообразования поверхности. Недостатком метода является то, что он может быть приемлем только для массового, крупносерийного производства и не приемлем для ГПС. Кроме того, высока себестоимость устройства, для осуществления метода, так как требуется модернизация используемого оборудования.

      Широкие технологические возможности имеет способ СО, разработанный с участием доцента каф. МРСиИ Довгалева А.М., при котором осуществляют внесение поправки в размер настройки чистового резца неуравновешенного КИ [7].

      Суть этого метода состоит в том, что поправку в размер динамической настройки чистового резца вводят после вступления в работу деформирующего элемента, когда на обрабатываемой поверхности детали образуется ступенька отжатия. Величина поправки, вносимая в размер динамической настройки, равна величине упругих отжатий в технологической системе, т.е. . В результате обеспечивается срезание ступенек с обрабатываемой поверхности детали. Точность обработки при этом существенно возрастает.

      Преимуществом этого способа СО является то, что допустимое время внесения поправки достаточно велико. Это позволяет вносить поправку в размер динамической настройки чистового резца КИ самим оператором, причем в ручном режиме.

      Однако отсутствие теоретических и экспериментальных исследований сдерживает широкое внедрение способа в производство.

4. Динамика процесса СО деталей резанием и ППД

      При СО деталей резанием и ППД режущий элемент КИ, вследствие исходных погрешностей заготовки, срезает с поверхности детали неравномерный припуск. Это приводит к периодическому изменению величины усилия резания. Непостоянное по величине усилие резания является возмущающей силой, вызывающей упругие перемещения детали и КИ друг относительно друга. Точностные параметры СО при этом существенно снижаются. Причем чем выше виброустойчивость технологической системы, тем лучше её динамическое качество и минимальны относительные упругие колебательные перемещения КИ и детали.

      Для описания упругих перемещений детали и инструмента необходимо представить технологическую систему в виде механической модели, состоящей из определенных сосредоточенных масс, соединенных упругими и диссипативными связями.

      Далее по известным методикам выводим уравнения логарифмической амплитудной и фазовой характеристик динамической системы, позволяющие оценить влияние коэффициента К, характеризующего соотношение жесткостей упругих элементов системы, на запас устойчивости системы по фазе.

где c₁ - жесткость закрепления детали; c₂ - жесткость КИ; c_p - жесткость в зоне контакта детали и режущего элемента КИ; c_d - жесткость в зоне контакта детали и деформирующего элемента КИ; c_з - жесткость деформирующего узла КИ.

      Анализ динамической модели разработанного метода повышения точности СО валов путем разгрузки режущего и деформирующего элементов КИ на кинематически независимые узлы технологической системы позволяет оценить влияние коэффициента К, характеризующего соотношение жесткостей упругих элементов системы на запас устойчивости системы по фазе, вывести аналитические зависимости для определения рациональных динамических параметров КИ, обеспечивающих повышение виброустойчивости системы, и соответственно улучшение точности получения диаметрального размера обрабатываемых валов.

Литература

1. Жасимов М.М. Управление качеством деталей при поверхностном пластическом деформировании. - Алма-Ата: Наука, 1986 – 208с.

2. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением / Л.А. Хворостухин и др. – М.: Машиностроение, 1988.- 144 с.

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

4. Чистосердов П.С. Комбинированные инструменты для совмещения процессов резания и поверхностного пластического деформирования. – М.: НИИмаш, 1975.- 45с.

5. Чистосердов П.С. Комбинированные инструменты для отделочно-упрочняющей обработки.- Мн.: Беларусь, 1977 – 124 с.

6. А.C. 1180246 СССР, МКИ4 В24В39/00. Устройство для совмещенной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием./ Я.М. Сургунт, А.М. Довгалев (СССР). - №368710/25-27; Заявлено 06.01.84; Опубл. 23.09.85, Бюл.№35. – 2с.: ил.

7. А.C. 1247249 СССР, МКИ4 В24В39/00. Способ комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием./ Я.М. Сургунт, А.М. Довгалев (СССР). - №3801651/25-27; Заявлено 17.10.84; Опубл. 30.07.86, Бюл.№27. – 2с.: ил.

8. Смелянский В.М., Васильев В.А. Особенности размерообразования при совмещенном обкатывании.// Автомобильная промышленность. – 1982. - №3. – с. 28-30.

9. Потупец А.В. Интенсификация процесса совмещенной обработки резанием и ППД.// 43 студенческая научн. техн. конф. тез. докл. 22-26 мая 2007 г. – Могилев, 2007.- с.138.

10. Рыжанков Д.М., Потупец А.В. Интенсификация процесса совмещенной обработки резанием и ППД.// Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы международной научн.–техн. Конф., Могилев, 19-20 апреля 2007г.: В 3-х ч. Ч.1. – Могилев, 2007.- с.95.

---

Электронная библиотека