Обоснование параметров силового воздействия при отделочно-антифрикционной обработке шеек коленчатых валов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.891.2

Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, v.y.skovorodin@gmail.com) Соискатель А.В. АНТИПОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, a.v.antipov@gmail.ru)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ОТДЕЛОЧНО-АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ ШЕЕК

КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

Известны разные способы финишной обработки шеек коленчатых валов после механической обработки. Перспективным способом является отделочно-антифрикционная обработка, заключающаяся в поверхностном пластическом деформировании в среде геомодификаторов трения. Отделочно-антифрикционная обработка позволяет обеспечить необходимую микрогеометрию поверхности [1] и придать антифрикционные свойства [2]. Необходимые для этого условия обеспечиваются выглаживанием поверхности инструментом из материала высокой твёрдости, чаще всего алмазом.

Цель исследования - корректировка и уточнение параметров финишной отделочно-антифрикционной обработки, так как выполненные исследования по обоснованию режимов обработки в основном относятся к процессам упрочнения поверхности [1].

Материалы, методы и объекты исследования. Исследования проводились на примере обработки шеек коленчатых валов двигателей семейства Д-240, Д-260 как наиболее типичных представителей валов, используемых в дизельных двигателях тракторов среднего класса. Коленчатые валы изготовлены из стали 45Х ГОСТ-4543-71 и термически обработаны до твёрдости НВ 207-255. Твёрдость поверхности коренных и шатунных шеек составляет HRC 53-63.

Исследования проводились на образцах типа «вал» диаметром, соответствующим среднему размеру шеек. Валы-образцы изготавливались из стали 45Х и подвергались термической обработке, аналогичной обработке при изготовлении коленчатых валов. В качестве окончательной обработки применялось шлифование по 7-му, 8-му классу шероховатости. После шлифования на поверхность вала наносился состав, содержащий геомодификатор ТСК. Затем производилось выглаживание алмазным инструментом с радиусом рабочей части 4 мм. Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO "Surftest SJ-301".

Основным процессом отделочно-антифрикционной обработки является выглаживание поверхности алмазным индентором.

На рис. 1 показана схема контакта шарового индентора с поверхностью вала. Так как радиус индентора (2-4 мм) на порядок меньше диаметра вала, контакт шарового индентора с поверхностью вала будем рассматривать как контакт шара с плоскостью. Вся дуга контакта индентора с поверхностью вала состоит из двух участков. На участке OLi осуществляется основная работа по поверхностному деформированию металла. На участке OL2 происходит взаимодействие индентора с упруго восстановленным слоем металла.

Прижатый к обрабатываемой поверхности с силой P инструмент в форме шара с радиусом R внедряется в неё на глубину h и при скольжении по ней сглаживает выступы поверхности. В результате пластического деформирования на глубину hnn образуется новый микрорельеф со значительно меньшей высотой выступов. После прохода инструмента происходит упругое восстановление поверхности на величину hvnn

Рис. 1. Схема контакта шарового индентора с поверхностью детали при алмазном выглаживании

Чтобы полностью выровнять поверхность, нужно обеспечить глубину внедрения индентора из условия остаточной пластической деформации (кпл ) не меньше высоты

наибольшего выступа профиля (расстояние от средней линии до высшей точки профиля в пределах базовой длины - Яр). Это будет обеспечено, если общая глубина внедрения И будет равна И = Иупр + Ипл

Нормальное протекание процесса выглаживания происходит при определённых значениях глубины внедрения - обеспечении в зоне контакта давления, равного пределу текучести материала детали.

Взаимосвязи глубины внедрения, размеров площадки и давлений в зоне внедрения подробно изучены и основаны на работах Г. Герца [3]. Давление в центре области контакта и радиус контакта в функции силы давления индентора определяются уравнениями:

Р

max

6 PE

*

2

3D2

r

п R

13 PR 4 E*

1

1

Я

E =1/(

E

1

E

(1)

2

где p

сила давления индентора;

max

r -радиус контакта;

P - давление в центре области контакта;

R - радиус индентора;

Ep E2 - модули упругости материала индентора и детали;

Я,Я - коэффициент Пуассона материала индентора и детали.

Радиус контакта и глубина внедрения связаны уравнением:

r2 = Rh , откуда h = r2 / R, (2)

где h - глубина внедрения индентора.

Эти уравнения справедливы для случая внедрения абсолютно твёрдого шара в упругое полупространство и в применении к процессу выглаживания требуют уточнения.

Прежде всего, это положение, что контакт индентора происходит по всей площади, вычисляемой как площадь круга (при контакте шара с плоскостью). Для случая выглаживания общая площадь контакта существенно отличается от круга.

Второе отличие заключается в том, что в формулах контакта шара с упругим полупространством предполагается гладкая поверхность. В действительности перед обработкой шеек вала они могут иметь различную шероховатость.

)

Третье, что требует учёта при рассмотрении процесса пластического деформирования алмазным выглаживанием - это частичное перекрытие зон контакта, зависящее от продольной подачи индентора.

На рис. 2 показана форма контакта шарового индентора при выглаживании поверхности вала.

Рис. 2. Форма поверхности контакта при выглаживании плоской детали индентором

с рабочей частью в виде шара

Известно несколько методик определения площади контакта индентора с деталью при выглаживании. Так, при тепловых процессах площадь контакта разбивается на прямоугольники со сторонами [4]:

1

2Ял Я „

Я дет+к (Ьост. + Л)

дет.

2

2Я Я

дет. л

Я + Я

дет.

(3)

Ь = 2Я(косш. + Л) . Ь2 =^2ЯЛ),

где Ядет - радиус обрабатываемой детали;

Л - величина упругого восстановления;

Ьост - остаточная деформация.

Однако эти формулы не учитывают продольную подачу обрабатывающего инструмента.

Для решения поставленных задач исследования площадь контакта представим как сумму частей двух кругов - одного радиусом , соответствующим радиусу контакта на поверхности вала (область А рис. 2), второго - радиусом г2, соответствующим радиусу контакта на поверхности вала после упругого восстановления (область Б рис. 2).

Величина продольной подачи инструмента может быть учтена коэффициентом перекрытия области контакта:

к8 = б / г , (4)

где Б - продольная подача выглаживателя (на один оборот вала);

Г - радиус контакта на поверхности вала.

При больших подачах коэффициент перекрытия зоны контакта, рассчитанный по формуле (4), может быть больше единицы, что показывает движение индентора по

1

1

полностью не обработанной поверхности. В случае коэффициента перекрытия зоны контакта больше единицы его величину в расчётах нужно принимать равной единице.

В этом случае площадь контакта может быть определена по формулам:

Г\

£ = ПГ^ или с учётом формулы (2) £ = п Я И 0 < И < Иупр., (5)

5 = 4 П( г12 к8 + г2 (1 - к8))+4 п г2 Иупр, < И < Я!, (6)

где ^ - радиус зоны контакта на уровне поверхности вала после упругого восстановления;

Я,г - максимальная высота профиля (расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины).

Эти формулы справедливы для случая абсолютно гладкой поверхности вала перед выглаживанием. В действительности поверхность вала перед выглаживанием обработана по 7 - 8 классу чистоты. В результате этого площадь контакта индентора с валом будет зависеть от параметров шероховатости. Это обстоятельство может быть учтено введением в формулы (5,6) параметра опорной поверхности.

Общепринятая зависимость опорной поверхности от глубины профиля имеет вид:

гр = ЬхУ где X = И / Яг . (7)

Тогда гр = Ь (И / Яг)У, (8)

где гр - относительная опорная поверхность;

Ь,У - коэффициенты степенной функции опорного профиля;

И - расстояние от линии выступов до рассматриваемого уровня профиля (глубина внедрения индентора).

Тогда формулы для определения фактической площади контакта индентора с деталью как функции глубины внедрения индентора будут иметь вид:

£ = п ЯИЬ (И / Яг)у 0 < И < Иупр., (9)

£ = 4п(ЯИк3Ь (И/ЯгV + г22(1 -к8)) + |п г2 Иупр <И<Яг. (10)

Для определения радиуса г2 контакта необходимо знать величину упругого восстановления, полностью определяемого упругими свойствами материала обрабатываемой детали. Для определения упругой деформации материала в работе [4] предложены формулы для расчёта критической нагрузки и диаметра отпечатка в начальной стадии образования пластической деформации на поверхности контакта шара с плоскостью:

йт = 7,07 Д+ 32)от , (11)

где dт - диаметр отпечатка в начальной стадии образования пластической

деформации;

0"т - предел текучести материала детали;

31 3^ - характеристики упругости материала индентора и детали;

Из этих уравнений :

Зх = (1 -^2)/Ер 32 = (1 -^22)/Е2 . г2 = 7,07Я (+ 32)ат .

(12) (13)

В этих формулах использована зависимость нагрузки вдавливания от диаметра отпечатка в упругой области, установленная Г. Герцем. Полученные формулы проверены экспериментально.

Сила давления индентора, необходимая для деформации на заданную глубину, может быть определена из условия [3]:

Р

пл.

сат , откуда Рп^ = 5(к) с а

т

(14)

5 (к)

где с - коэффициент.

Величина коэффициента с принимается в пределах 3 - 3,2.

Расчёт необходимой для деформирования на заданную глубину силы давления индентора произведём на примере обработки шеек коленчатого вала двигателей семейства Д-240, Д-260.

Коленчатые валы изготовлены из стали 45Х ГОСТ-4543-71 и термически обработаны до твёрдости НВ 207-255. Твёрдость поверхности коренных и шатунных шеек составляет ИЯС 53-63. Механические свойства стали - предел текучести закалённой стали 800 - 900 МПа, модуль упругости 2,06 10-5 МПа, коэффициент Пуассона 0,3. Механические свойства материала инструмента - модуль упругости 9 10-5 МПа, коэффициент Пуассона 0,07.

Предварительная механическая обработка соответствует 7-8 классам шероховатости. Параметры шероховатостии имеют следующие значения: Яа =0,6 - 1,25 мкм Яшах =4 - 8 мкм Ь=0,6-0,9 у=1,9-2 .

Результаты расчёта необходимой для деформирования на заданную глубину силы давления индентора показаны на рис. 3.

240 200 160 120 80 40

§ К

^ а

3 °

« щ

се <и

4 « к К о к

0

■ ■ _ —

ГГГТГГТГГГ

\ » 0,04 мм 0,08 мм /оборот /оборот

4 ч 0,12 мм /оборот

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

Глубина внедрения индентора, мм.

Рис. 3. Зависимость силы давления индентора от глубины внедрения для разных величин продольной подачи

Результаты исследования. Результаты экспериментальных исследований шероховатости поверхности вала после отделочно-антифрикционной обработки подтверждают расчёты по приведённым выше формулам. На рис. 4 показана профилограмма поверхности вала после шлифования по 7-му классу шероховатости и после выглаживания в среде геомодификатора за один проход инструмента при давлении индентора силой 50 Н.

Из рисунка видно, что глубина сглаживания соответствует теоретическому расчёту. При величине силы давления 50 Н происходит смятие наиболее высоких неровностей, характеристика профиля ниже средней линии практически не изменяется.

При более высокой чистоте поверхности перед обработкой или обработке за несколько проходов для деформации требуется увеличенная сила давления индентора. Силовое воздействие при отделочно-антифрикционной обработке характеризуется не только величиной силы давления индентора, но и кратностью приложения нагрузки (величиной продольной подачи и числом проходов).

На рис. 5 показана зависимость среднего арифметического отклонения профиля (Яа) шероховатости после выглаживания в среде геомодификатора от силы давления индентора при разном состоянии поверхности перед обработкой.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Длина профиля, мм.

Рис. 4. Профиль поверхности вала после шлифования и после выглаживания в среде геомодификатора трения силой давления индентора 50 Н

.о 0,30 о

Й 0,25

ш

§ 0,20 | 0,15

Начальная шеро: Начальная шеро: после выглаживания Начальная шерО: ;левыглаживания

ховатость - после шлифования ховатость" (Р=100Н) ховатость (Р=200Н)

0

50

300

350

400

100 150 200 250 Давление индентора Н

Рис. 5. Зависимость среднего арифметического отклонения профиля (Яа) шероховатости поверхности вала после выглаживания в среде геомодификатора от силы давления индентора и числа проходов

инструмента

С уменьшением шероховатости перед обработкой эффект выглаживания проявляется при более высоком давлении индентора. Это наглядно показывает изменение профиля

поверхности после шлифования по 8-му классу шероховатости и после выглаживания в среде геомодификатора за один и два прохода инструмента.

Для повышения качества обработанной поверхности путём увеличения числа проходов инструмента на каждом последующем проходе следует увеличивать силу давления индентора.

На рис. 6 показано изменение профиля поверхности вала после шлифования по 8-му классу шероховатости и после выглаживания в среде геомодификатора за один и два прохода инструмента при разном давлении индентора.

Показанные зависимости подтверждают расчёты по теоретическим формулам. Основной эффект уменьшения высоты выступов проявляется с увеличением силы давления индентора до 150 Н (рис. 3). Последующее увеличение давления индентора уменьшает высоту выступов в меньшей степени. С увеличением числа проходов инструмента эффект уменьшения высоты выступов проявляется с увеличением давления индентора.

Длина профиля, мм. Рис. 6. Профиль поверхности вала после выглаживания в среде геомодификатора трения при разном давлении индентора за один и два прохода инструмента

а

2,0 1,8 1,6 1,4 . 1,2 £ 1,0 I 0,8 Л 0,6

В 0,4 0,2 0,0

0

роховатость -

роховато<

Начальная ше ■ пос ле шлифования 4 ч Начальная ше после выглаживания (Р=100Н Начальная шероховато; после выглаживания (Р=200Н

50

100 150 200 250 300 350 400

Сила давления индентора, Н

Рис. 7. Зависимость высоты наибольшего выступа профиля (Яр) шероховатости поверхности вала после выглаживания в среде геомодификатора от силы давления индентора и числа проходов

инструмента

Главным условием при операции алмазного выглаживания является пластическая деформация выступов профиля поверхности обрабатываемой детали. На рис. 7 показана звисимость высоты наибольшего выступа профиля (Rp) шероховатости поверхности вала после выглаживания в среде геомодификатора от силы давления индентора и числа проходов инструмента.

Отделочно-антифрикционная обработка за один проход инструмента позволяет получить поверхность 9 класса шероховатости. Оптимальная сила давления индентора составляет 150 - 200 Н.

Для достижения чистоты поверхности 10 класса обработку необходимо проводить за два прохода. Оптимальная сила давления индентора составляет 200 - 250 Н.

Третий проход инструмента менее эффективен для повышения качества поверхности и требует повышения силы давления индентора до 300 - 350 Н. Однако увеличение силы давления индентора может привести к вибрации инструмента.

Выводы. Полученные на основе теоретического анализа зависимости величины давления индентора от глубины обработки позволяют определить параметры силового воздействия в зависимости от механических свойств материала обрабатываемой детали и параметров шероховатости перед обработкой.

Отделочно-антифрикционная обработка за один проход инструмента обеспечивает поверхность 9 класса шероховатости. Оптимальная сила давления индентора составляет 150 - 200 Н. Это соответствует действующим требованиям к шероховатости шеек коленчатых валов.

Отделочно-антифрикционная обработка позволяет получить повышенное качество поверхности. Для достижения чистоты поверхности 10 класса обработку необходимо проводить за два прохода. Оптимальная сила давления индентора составляет 200 - 250 Н.

Литература

1. Абразивная и алмазная обработка материалов: справочник / под ред. АН. Резникова. -М.: Машиностроение, 1977. - 391с.

2. Сковородин В.Я., Меньшиков К.А. Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала // Известия Международной академии аграрного образования. - 2017. - Том 1. - Вып. № 35. - С. 117122.

3. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 352 с.

4. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М: Машиностроение, 1981. - 279 с.

5. Матюнин В.М. Критические нагрузки и параметры отпечатка в начальной стадии пластического контакта шара с плоской поверхностью металла. Заводская лаборатория. // Диагностика материалов. - 2007. - №4 - Том 75. - С. 62-65

Literatura

1. Abrazivnaya i almaznaya obrabotka materialov: spravochnik / pod red. A.N. Reznikova. -M.: Mashinostroenie, 1977. - 391s.

2. Skovorodin V.YA. Men'shikov K.A. Issledovanie vliyaniya finishnoj antifrikcionnoj obrabotki sheek na rabotosposobnost' podshipnikov kolenchatogo vala // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2017. - Tom 1. - Vyp. № 35. - S. 117-122.

3. Popov V.L. Mekhanika kontaktnogo vzaimodejstviya i fizika treniya. - M.: FIZMATLIT, 2013. - 352 s.

4. Reznikov A.N. Teplofizika processov mekhanicheskoj obrabotki materialov. - M: Mashinostroenie, 1981. - 279 s.

5. Matyunin V.M. Kriticheskie nagruzki i parametry otpechatka v nachal'noj stadii plasticheskogo kontakta shara s ploskoj poverhnost'yu metalla. Zavodskaya laboratoriya. // Diagnostika materialov. - 2007. - №4. - Tom 75. - S. 62-65