CC BY
23
УДК621.629.3; 669.54. 793
II НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ И ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО Л УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
¡И С.К. Тойгамбаев,
Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина, Н.И. Усов
Московский государственный университет природообустройства
Изучение и анализ преимуществ и недостатков существующих спосо-¡¡|| формирования и восстановления резьбовых поверхностей, позволяют рШомендовать электромеханическую обработку для формирования поверхности резьбы высокого качества: исключить дефекты окисления и обезуглероживания поверхностного слоя; формировать поверхностно закаленный виток резьбы при сохранении вязкой сердцевины нижележащих слоев; получать текстуру металла, вытянутую вдоль профиля опасного сечения впадины; производить сглаживание микронеровностей с изменением формы и геометрии микровершин и микровпадин в соответствии с эксплуатационными требованиями к резьбовому соединению; обеспечивать соответствие формы инструмента и обрабатываемой поверхности.
Не отрицая целесообразности существующих способов формирования геометрии и свойств резьбы, следует отметить, что в условиях повышенных скоростей и нагрузок многие из направлений не в полной мере отвечают возросшим требованиям надежности. Это подтверждается в научных трудах и монографиях Л.В. Федорова, Б.М. Аскинази, В.П. Багмуто-ва и других ученых [1,2,3].
Существующие в сельскохозяйственном производстве способы изготовления и восстановления резьбы основаны, в лучшем случае, на формировании геометрии винтового профиля методами резания, без обеспечения требуемых свойств по твердости, шероховатости и текстуре волокон ме-
талла. Отсутствие методов обеспечения параметрической надежности резьбовых соединений, при явно возрастающих объемах изготовления и восстановления резьбовых деталей, указывает на необходимость разработки новых технологических, организационных, экономических и экологических основ выбора способов упрочнения винтовых поверхностей.
Результаты исследований, выполненные в области электромеханической обработки (ЭМО) В.П. Багмутовым, А.И.Бражюнас, А.В. Гурьевым, А.Г. Сусловым, указывают на высокую эффективность способов отделоч-но-упрочняющей и упрочняющей обработки поверхностей деталей путем пластического перераспределения металла с воспроизведением геометрии и физико-механических свойств [3, 4, 5, 6 ].
Электромеханическая обработка (ЭМО) - это метод обработки металлов, соединяющий в единой технологической схеме эффект поверхностного пластического деформирования (ППД) и термического воздействия инструмента на поверхностный слой детали. Сущность ЭМО основана на непрерывном контакте инструмента и изделия, через который пропускается электрический ток силой 400...1800А, напряжением 2..,6В [2,6]. Зона контакта при этом нагревается до температуры 1000... 1200 °С. Объём высокотемпературного нагрева ничтожно мал по сравнению с массой детали, следствием чего является высокая скорость охлаждения поверхностного слоя за счет отвода тепла внутрь детали и как следствие, его закалка. Процесс электромеханической обработки производится на токарно-винторезном станке, Токарем, производящим обычные операции резания. Для этого необходимо следующее оборудование и оснастка: установка электромеханической обработки (УЭМО); державка телескопическая; электроконтактное устройство (ЭКУ); силовые токоподводящие кабели; инструмент.
В зависимости от служебного назначения детали, ее конструктивных особенностей и вида дефекта ЭМО используется по одному из следующих направлений:
• как упрочняющая обработка, применяется для деталей к которым предъявляются особые требования по твердости поверхностного слоя. Необходимое качество поверхности достигается на последующих операциях;
• как отделочная обработка. Основное назначение данного вида обработки сводится к получению требуемого микрорельефа поверхности;
• как отделочно-упрочняющая обработка. Достигается необходимое качество поверхностного слоя при его закалке на глубину до 0,2 мм;
• для восстановления деталей по принципу пластического перераспределения материала детали. Наибольшее распространение данное направление получило при восстановлении посадочных мест валов под подшипники качения, когда величина износа не превышает 0,3 мм (рис. 3.);
• для восстановления деталей с использованием дополнительного металла.,
При упрочнении поверхности бронзовым роликом производится закалка поверхности на глубину 0,5...2 мм при микротвердости НУ 4000...8000 МПа (НКС 42...60). Обработке подвергаются изделия из стали с содержанием углерода более 0,3%. Это среднеуглеродистые стали 30, 45, 40Х, 50, инструментальные стали У7...У13. После электромеханического упрочнения (ЭМУ) рекомендуется обработка поверхности в размер. С этой целью следует оставлять припуск под обработку шлифованием или точением в пределах 0,2...0,5 мм.
Принципиальная схема процесса показана на рисунке 1. Заготовка 1 зажимается в патрон токарно-винторезного станка. Инструмент 2 устанавливается в сменной головке телескопической державки. От УЭМО (3) один конец вторичной обмотки трансформатора (4) подводится к детали, а другой к инструменту. Станок настраивается на подачу, равную ширине рабочей поверхности инструмента. Движение последнего происходит по винтовой линии. При включении источника тока УЭМО последовательно производится включение вращения заготовки.
Ток большой силы (600... 1800 А), сконцентрированный в месте контакта «инструмент-поверхность», приводит к мгновенному нагреву обрабатываемой поверхности до температуры 1000. ..1200 °С. Охлаждение нагретой поверхности происходит в тело детали. При обработке большой поверхности, а также при малом сечении обрабатываемой детали желательно применять охлаждающие жидкости (эмульсию). Подача жидкости производится поливом в зону, предшествующую обработке.
Метод можно применять как для упрочнения поверхностей тел вращения, так и для плоских профилей. Причем упрочнение производится как на вновь изготовленных деталях, так и на изделиях, поставляемых централизовано. Это посадочные места валов под подшипники качения,
шпоночные пазы, шлицевые поверхности, рабочие поверхности режущего инструмента (рис. 1).
Рисунок 1. Закалка посадочных мест под подшипники качения вала-шестерни на токарно-винторезном станке.
При электромеханическом упрочнении твердосплавным инструментом происходит упрочнение тонких поверхностных слоев заготовки на глубине 0,04...0,20 мм с одновременной чистовой операцией Ка 0,63... 1,25 мкм. Отмечается изменение микрогеометрии ранее обработанной поверхности, но сама форма детали остается без изменения. Деталь, обрабатываемая этим способом, не должна иметь отклонений от овальности и других отклонений геометрической формы, выходящих за пределы технических требований чертежа. Желательно ЭМУ твердосплавным инструментом выполнять с одной установки на одном станке, на котором производилась обработка резцом. Применение метода наиболее целесообразно в тех случаях, когда необходимо значительно повысить износостойкость и срок службы детали (рисунок 2.).
'380/220В 50Гц
I
[
Рис.2. Принципиальная схема отделочно-упрочняющей электромеханической обработки гладких цилиндрических поверхностей
Варьирование режимами ЭМО позволяет на вышеперечисленном оборудовании производить восстановление дефектного профиля резьбы. Технологически операция ЭМВ резьбы производится в той же последовательности, что и ЭМУ (рисунок 3.).
"Г:- * Д Ь
I $
й-
Рисунок 3. Принципиальная схема электромеханического восстановления без использования дополнительного материала: УЭМО - установка электромеханической обработки; 1 - высаживающий инструмент; 2 -сглаживающий инструмент; 3 - деталь
Вместе с тем, не получили широкого развития направления ЭМО деталей с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений, не приводятся данные о возможности повышения усталостной прочности резьбовых соединений при формировании геометрии, структуры и текстуры поверхностного слоя впадины, отсутствуют зависимости влияния режимов ЭМО на изменение геометрических параметров резьбы. Возможность внедрения результатов ЭМО, в систему уже сложившегося производства деталей с резьбой, требуют проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Электромеханическая обработка отвечает современным тенденциям развития технологии изготовления деталей с резьбой, так как обеспечивает энерго и ресурсосбережение, значительное сокращение длительности процессов, улучшает безопасность и экологичность производства и позволяет получить свойства винтовых поверхностей, недоступные способам термической обработки и поверхностного пластического деформирования.
Технология ЭМО имеет ряд преимуществ перед способами термической, механической и отделочно-упрочняющей обработки, позволяющих использовать способ для повышения долговечности деталей машин, а именно: - отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности, связанное с тем, что термомеханический цикл «нагрев-выдержка-охлаждение» происходит за сотые доли секунды, а сам процесс протекает только в зоне контакта, т.е. закрытой зоне;
- возможность обработки ограниченных участков, без термомеханического воздействия на остальные поверхности детали;
- индивидуальный подход к каждой конкретной поверхности, с учетом схемы нагружения и условий эксплуатации;
- возможность обработки пустотелых и длинных нежестких деталей при минимальном уровне термического воздействия;
- обработанные поверхности имеют высокое качество, их отличает однородность структуры и механических свойств по сечению и длине поверхности;
- используя оборудование и совершенствуя оснастку для электромеханической обработки можно получать изделия различной конфигурации и типоразмера;
- экологическая чистота и электробезопасность процессов
К особенностям обработки следует отнести: наличие двух основных источников теплоты, создаваемых электрическим током и трением; локальный нагрев, сопровождающийся действием значительных давлений; термический цикл (нагрев, вытяжка, охлаждение) весьма кратковременный и измеряется долями секунды; высокая скорость охлаждения (2600° /сек). Сила тока и вторичное напряжение регулируются в зависимости от площади контакта, исходной шероховатости поверхности и требований к качеству поверхностного слоя. При обработке получается твердая структура поверхностного слоя с мелкодисперсной составляющей мартенсита, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Выводы:
Обзор состояния проблемы повышения эксплуатационных свойств резьбовых соединений и деталей сельскохозяйственной техники позволили отметить очевидное преимущество отделочно-упрочняющей электромеханической обработки.
Согласно проведенному анализу выявлена необходимость создания новых технологических решений по совершенствованию технологий и технических средств отделочно-упрочняющей обработки резьбы и других деталей, путем научного обоснования, разработки и совершенствования технологий, основанных на совмещении поверхностного пластического деформирования и закалки в единой операции. Изучение физических и технологических особенностей различных методов обработки деталей позволяют обосновать возможность применения отделочко -упрочняющей электромеханической обработки для нарезанной, накатанной резьбы, подшипников скольжения, валов и различных деталей сельскохозяйственных и транспортно- технологических машин.
Conclusions:
According to the lead analysis necessity of creation ofnew technological decisions on perfection of technologies and means of отделочно-strengthening electromechanical processing of a groove and other details, by a scientific substantiation, development and perfection of the technologies based on overlapping of superficial plastic deformation and training in uniform operation is revealed. Studying
of physical and technological features of various methods of processing of details allow to prove an opportunity of application отделочно - strengthening electromechanical processing for накатанной, the cut groove, bearings of sliding, shaft and various details agricultural andTpaHcnopTHO-technological machines.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федорова Л.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств резьбовых соединений сельскохозяйственной техники отделочно - упрочняющей электромеханической обработкой. -М.: Диссертация на соискание ученой степени доктора наук - 2006. - 350 с.
2. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. 3-е изд. переаб. и дополн. - М.: Машиностроение, 1989. —197с.
3. Багмутов В.П., Паршев С.Н., ДурхинаН.Г., Захаров Н.Н. Электромеханическая обработка. - Новосибирск: Наука, 2003 - 318с.
4. Бражюнас А.И. Повышение износостоикости ходовых винтов ЭМО / Вестник машиностроения. - 1969, №1 _ с. 58. ..60.
5. Гурьев А.В. и др. Влияние предварительной термической обработки на усталостную прочность конструкционной стали при электромеханическом упрочнении. - в. Сб.: Металловедение и прочность материалов. -Волгоград: ВолгПИ, 1985 - с.8... 13.
6. Суслов А.Г., Горленко А.О., Сухарев С.О. Электромеханическая обработка деталей машин // Справочник. Инженерный журнал - 1998, № 1-е. 15...18.
Тушндеме
Мак/хлада apmypni металдардыц ycmiiizi цабаттардыц берштендгру мацеатында металдардыц электромеханикальщ вцдеулерш колдану аймагында гыльши зерттеулерге гиолу жасалган. Электромеханикальщ вцдеулерЫ колдану аймагында электромеханикальщ шыньщтырудьщ принципиалды сызбасы бер1лген, yeminzi кабаттардыц бвлшектi-жешлдетуш! вцдеу1 кайта цалыптаскан. QndipicmiK жуйеге салынган илыгарылатын детальдардьщ кец номенклатурасыньщ кел1с1де ецг1з1лу1 ушт теориялык жене жепереминталъдх зерттеулерЫ жург'пу кажет.
Resume
In clause the review scientific research in the field of application of electromechanical processing metals, with a view of hardening superficial layers
of various metals is presented. Scopes of electromechanical processing, are given basic schemes of electromechanical training, restoration, strengthening processing of surfaces. Necessity of carrying out theoretical and experimental research, for the subsequent introduction in the developed system ofmanufacture of the wide nomenclature of let out details.
