Формирование регулярного микрорельефа при алмазном выглаживании модулированными ультразвуковыми колебаниями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.923

Е. С. Киселев, З. В. Степчева

ФОРМИРОВАНИЕ РЕГУЛЯРНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПРИ АЛМАЗНОМ ВЫГЛАЖИВАНИИ МОДУЛИРОВАННЫМИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ

Установлена и экспериментально проверена однозначная зависимость между параметрами ультразвуковых колебаний и геометрическими характеристиками регулярного микрорельефа (РМР) в виде сетки микроуглублений обработанной поверхности в процессе алмазного выглаживания.

Существенным резервом повышения надежности и ресурса машин является рационализация геометрических параметров микрорельефа рабочих поверхностей деталей для тех или иных конкретных условий их эксплуатации.

Известные способы формирования регулярных микрорельефов (РМР) при обычном алмазном выглаживании реализуются, как правило, за счет усложнения кинематики процесса обработки [1]. Использование ультразвуковых колебаний, модулированных по частоте и амплитуде, позволяет достичь формирования регулярных микрорельефов, варьируя в широких пределах параметрами ультразвуковых колебаний и режимами обработки, не усложняя кинематику процесса [2, 3]. При этом возникает необходимость регламентировать режимы обработки в зависимости от вида требуемого микрорельефа, обусловленного назначением детали. К примеру, для поверхностей тяжелонагружен-ных шарниров, смазываемых консистентными смазками, и прямолинейных направляющих целесообразно применять сетку каналов, способствующих подвижности смазки и ее обогащению кислородом с целью предотвращения схватывания. При формировании такого микрорельефа алмазным выглаживанием существует вероятность повторной об-

работки уже упрочненных участков микрорельефа, и вследствие этого, ухудшения качества обработки. Избежать этого негативного явления позволяет регламентация режимов ультразвукового алмазного выглаживания с использованием модулированных УЗК в зависимости от параметров микрорельефа.

Для установления такой связи выделим требуемые параметры микрорельефа, которые необходимо обеспечить в процессе обработки (рис. 1).

При формировании на поверхности обрабатываемой заготовки плотной сетки непересекающихся канавок (рис. 1) с осевым и радиальным шагами выдавливаемых канавок t и 1, мм, и углом сетки микрорельефа х , град., для исключения повторной обработки уже упрочненных участков в поверхностном слое, необходимо выполнение следующего условия:

5 =

(1)

где Б - продольная подача, мм/об; С - диаметр заготовки, мм; р - угол подъема винтовой линии выдавливаемых канавок, град.:

в

Рис. 1. Схема микрорельефа: 1 - радиальный шаг выдавливаемых канавок, t - осевой шаг выдавливаемых канавок, х - угол сетки микрорельефа, р - угол подъема винтовой линии выдавливаемых канавок

© Е. С. Киселев, З. В. Степчева, 2007

- 12Ц-

в = агееов--+ х

При этом период модулированных ультразвуковых колебаний Т, с, в зависимости от соотношения параметров микрорельефа, диаметра заготовки, а также частоты вращения выбирается из соотношения [3]:

Т =

1А

п Ж1З

(3)

Глубина образующихся углублений Ь определяется по формуле (рис. 2):

2

И = ^ 4Б

(4)

где д0 - размеры отпечатка в окружном направлении, мм; могут быть определены по формуле И.В. Кудрявцева:

Г Б ■ Е 7 ^

7

0,1 ■ НБ

где Еу - необходимая для внедрения на глубину А А энергия ударных импульсов, Дж; рассчитывается с учетом ликвидации наследственной шероховатости поверхности от предыдущей технологической операции [5]:

Е 7 =

п ■ Б ■с■ст„■Ь■АА

у+2

( + ^ + 2)(1 + в1) ■ Я'

где Ь, V- коэффициенты, описывающие опорную (2) кривую профиля микронеровностей до уровня средней линии; Ятах0 - максимальная высота профиля микронеровностей, мкм; с - коэффициент стеснения, р1 - коэффициент, учитывающий упругую осадку микровыступов.

Глубина внедрения а А между шероховатой плоскостью под действием УЗК определяется разностью максимальной и минимальной амплитуд УЗК:

А А = (Атах - Ат!п)/2. (7)

Количественную оценку эффективности ультразвуковой модуляции по регуляризации микрорельефа для различных материалов по зависимостям (1)-(3) осуществляли в два этапа.

На первом этапе исследовали влияние ультра -звуковой модуляции на параметры микрогеометрии (Ка, К2, Ктах по ГОСТ 2789-73) и волнистости Wz, Wmax, Бш при обработке заготовок из быстрорежущей стали Р18. На втором этапе проверяли адекватность математичеких зависимостей, описывающих микрорельеф поверхности, при обработке заготовок из сталей Р18, 40Х и 95Х18. При этом целью экспериментов являлось формирование микрорельефа в виде сетки микроуглублений с углом х = 45° размерами 800 мкм и глубиной 300 мкм.

Эксперименты проводили на специально разработанной установке, смонтированной на базе то-карно-винторезного станка УТ16-ПМ, оснащенной устройствами для измерения составляющих силы выглаживания на базе серийно выпускаемых ди-(6) намометра УДМ-100, усилителя 8АНЧ-26М, свето-лучевого осциллографа « Нева-МТ-1». Наложение

(5)

Рис. 2. Предполагаемая схема образования регулярного микрорельефа, на поверхности заготовки, при алмазном выглаживании с наложением модулированных ультразвуковых колебаний:

а - процесс выглаживания; б - схематичное движение алмазного выглаживателя; 1 - обрабатываемая заготовка; 2 - алмазный выглаживатель

1

4

а

о

тах

о

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007

- 121 -

ультразвуковых колебаний на алмазный выглажива-тель осуществляли с помощью ультразвукового генератора «Техма-2» = 18,6 кГц) [4], оборудованного сменными электронными платами, благодаря которым генератор может создавать выходной сигнал, модулированный по амплитуде и частоте. Параметры амплитудной и амплитудно-частотной модуляции: глубина модуляции 80 % и 25 %; частота первого импульса 18,6 кГц и 20 кГц; частота второго импульса при амплитудно-частотной модуляции - 12,5 кГц; частота следования импульсов - 1 кГц.

Цилиндрические образцы из сталей Р18 и 40Х диаметрами 60 и 52 мм и длиной 160 мм, из стали 95Х18 размерами 0 40 х220 мм, устанавливали в центры станка. В качестве деформирующего инструмента использовали алмазные выгла-живатели с радиусами рабочей части 1,5 и 3 мм. Окружную скорость заготовок из сталей 95Х18, Р18 и 40Х варьировали в пределах, соответственно, 2531 м/мин, 37-46 м/мин и 32-40 м/мин. Продольную подачу выглаживания всех перечисленных материалов изменяли от 0,036 до 0,064 мм/об, величину нагрузки на алмазный выглаживатель Ру - от 100 до 200 Н. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применяли масло индустриальное И-20А. Результаты некоторых экспериментальных исследований по оценке влияния модуляции (амплитудная или амплитудно-частотная) на параметры эффективности ультразвукового АВ с наложением УЗК представлены на рис. 3-7.

Как и ожидалось, применение ультразвуковых колебаний, в отличие от обычного алмазного выглаживания, позволяет уменьшить высотные параметры шероховатости на 5-10 % (рис. 3).

Использование же амплитудной и амплитудно-частотной модуляции приводит к увеличению вы-

сотных параметров шероховатости по сравнению с обычным выглаживанием на 20-30 %. Это подтвердило возможность образования канавок, размеры которых соизмеримы с параметрами шероховатости, что свидетельствует о частичной регуляризации микрорельефа.

Сравнение параметров волнистости обрабатываемых заготовок, представленное на рис. 4, свидетельствует о том, что применение амплитудной модуляции УЗК способствует увеличению параметров волнистости Wz, Wmax, Бш на 92%, а амплитудно-частотной — более чем в 2 раза. Это свидетельствует о том, что наложение модулированных УЗК при алмазном выглаживании приводит к образованию сетки микроуглублений на одинаковом расстоянии L в поверхностном слое заготовки.

В качестве визуальной иллюстрации картины поверхностного слоя обработанных заготовок с помощью биологического микроскопа были сделаны фотографии с увеличением в 100 раз. Регулярный микрорельеф заметен визуально в виде череды углублений в зависимости от элементов режима обработки и группы обрабатываемых материалов (рис. 5, 7).

Параметры полученного микрорельефа показаны на рис. 6. Их отличие от расчетных значений составляет порядка 7 %, что подтверждает справедливость математических зависимостей (1)-(3) и доказывает эффективность применения ультразвуковых модулированных колебаний для формирования на обработанной поверхности регулярного микрорельефа в виде сетки чередующихся канавок при алмазном выглаживании.

3,6

Яа 1,8 0,9

0

0,036

0,046 мм/об

а

0,066

16

мкм

Ятах 10 7 4

4

3

1

^ 2

0,036

0,046

5-

б

мм/бб —►

0,066

Рис. 3. Зависимость среднего арифметического отклонения профиля Яа (а), наибольшей высоты неровностей профиля Ктах (б) от подачи 5 при обработке заготовок из быстрорежущей стали Р18:

V = 37 м/мин, Р = 200 Н, радиус алмазного выглаживателя Я = 1,5 мм; 1 - без УЗК, 2 - с УЗК, 3 - с амплитудной модуляцией УЗК, 4 - с амплитудно-частотной модуляцией УЗК

Wz

0,6 0,4 0,2 0

Бш

2

мкм 1,2 0,8 0,4 0

Шшах

2 в

1,2 мкм 0,72 0,48 0,24 0

Рис. 4. Значения высоты волнистости (а); наибольшей высоты волны (б) и среднего шага волнистости (в) при алмазном выглаживании поверхности заготовки из стали Р18:

5 = 0,036 мм/об, V = 46 м/мин, Р = 200 Н, Н = 3 мм; 1 - без УЗК, 2 - с УЗК, 3 - с амплитудной модуляцией УЗК, 4 - с амплитудно-частотной модуляцией УЗК

3

4

Рис. 5. Микрорельеф обработанной поверхности на заготовках из стали Р18 с увеличением в 100 раз:

5 = 0,032 мм/об, V = 37 м/мин, Р = 250 Н, Я = 1,5 мм; без УЗК (а), с наложением УЗК (б), с амплитудной модуляцией УЗК

(в), с амплитудно-частотной модуляцией (г)

/БЭЛ 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007 — 123 —

Рис. 7. Микрорельеф обработанной поверхности на заготовках из стали 95Х18 (а, б) и стали 40Х (в, г)

с увеличением в 63 раза:

5 = 0,032 мм/об, V = 37 м/мин, Р = 250 Н, R = 1,5 мм; с амплитудной модуляцией УЗК (а, в), с амплитудно-частотной

модуляцией (б, г)

Перечень ссылок

1. Шнейдер Ю. Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплутационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

2. Пат. 2170654 Российская Федерация, МПК6 В 24 В 39/00. Способ упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. / Киселев Е. С., Унянин А. Н., Маттис А. В.- № 99124077/02 ; заявл. 16.11.99 ; опубл. 20.07.2001, Бюл. № 20. - 5 с.

3. А. с. 1523316, МПК6 В 24 В 39/00. Способ упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / Бондаренко В. М.,

Литвак В. П., Куликов В. Т., Балакин В. Ф.- № 3900501/23-27; заявл. 23.05.85 ; опубл. 23.11.89, Бюл. № 43. - 4 с.

4. Киселев Е.С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля. Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 186 с.

5. Бабичев А. П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом. / А. П. Бабичев, П. Д. Мотренко и др. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2003. - 192 с.

Поступила в редакцию 21.06.2007

Встановлено i експериментально перев1рено однозначну залежн1сть мж параметрами ультразвукових коливань i геометричнi характеристики регулярного мiкрорельeфу (РМР) в вигляд '1 йтокмiкрозаглиблень обробленоïповерхн i в процей алмазного вигладжу-вання.

It is installed is checked unambiguous dependency between parameter of the ultrasonic fluctuations and feature regular microrelief in the manner of nets small hole process of diamond smoothing.