CC BY
65
УДК 621.787:621.7.06
В.М. Сорокин, А.В. Михеев, Н.М. Тудакова ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОПЕРАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Приводятся результаты теоретико-экспериментальных исследований
комбинированной обработки поверхностей трения изделий, совмещающей операции технологического процесса для обеспечения качества и производительности.
Технологический процесс, комбинированная обработка, совмещение операций, теоретико-экспериментальные исследования, качество, производительность обработки
V.M. Sorokin, A.V. Mikheev, N.M. Tudakova IMPROVING THE QUALITY AND PERFORMANCE OF THE PRODUCT PROCESSING WHEN COMBINING THE OPERATIONS OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS
There are presented of the results theoretic-experimental researche combination working surfaces of friction quality and productivity details at concidence operating the technological processing for providing quality and productivity.
The technological processing, combination treatment, concidence working, of discoveries, to quality, productivity
Основной задачей технологии металлообрабатывающего производства является изготовление деталей с наименьшими затратами, наибольшими производительностью и качеством поверхности и поверхностного слоя. При этом качество должно удовлетворять условиям эксплуатации [1, 2]. Детали машин, как правило, с заданными чертежом размерами и необходимыми характеристиками качества поверхности: шероховатости (Ra, Rz, tp и др.) твердости (HV, ов) получают резанием, поверхностным пластическим деформированием (ППД). Однако для обеспечения требуемых характеристик микрорельефа, физико-механических свойств, а также снижения трудозатрат, повышения производительности целесообразно применять способы совмещенной комбинированной обработки (СКО) с использованием операций резания, ППД, нанесения антифрикционных и износостойких покрытий и др., когда элементарные технологические воздействия на объект обработки совмещаются во времени и (или) пространстве.
С этой целью нами разработан, апробирован и запатентован новый процесс СКО и комбинированный инструмент (КИ) (пат. 122055, бюл. 32, [3]), в основу которых положены принципы механо-физико-химического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки. В результате, по сравнению с ранее известными КИ, например. по а.с. 1252146, бюл. 31, обработка предлагаемым КИ позволяет значительно повысить качество обрабатываемой поверхности, ее триботехнологические характеристики, стойкость режущего и деформирующего элементов, производительность обработки. Это достигается за счет одновременной подачи в зоны обработки резцом и деформирующим элементом (вибрирующим шариком) под давлением напорных струй технологических жидкостей (СОЖ и РАС — раствора антифрикционной смеси).
Описание конструкции и принципы работы данного КИ приведены в работах [3, 4]. Здесь рассматриваются результаты теоретико-экспериментального исследования, касающиеся процесса СКО резанием (Р), поверхностным пластическим деформированием (ПД) и воздействием напорных струй технологических жидкостей (НСТЖ) — СОЖ и РАС на зоны контактов резца и шарика с поверхностью заготовки (СПКО-Р-ПД-НСТЖ). При такой совмещенной обработке обеспечиваются более благоприятные условия для процессов резания металла и пластического деформирования за счет подачи под заданным давлением НСТЖ, в частности снижение усилий резания и ПД.
По результатам исследования разработана обобщенная физико-математическая модель процесса обработки, включающая ниже следующие математические зависимости, которые позволяют рассчитать параметры и режимы СПКО-Р-ПД-НСТЖ.
4Zp qip + q2 СОЖ ,
4хш = ?1ш + 42
> РАС
(1)
42
СОЖ (РАС)
К1 Рж Сж ТЖ’
ХТЖ
0,85 КТ ов Рж Сж sin а
(2)
qZp qip + q2 СОЖ — 0,85 КТ1 Св , Чт.ш 41ш + 42 РАС — 0,85 КТ2 Св
=^(се ижsin а)2+и д+и 2,
и
(3)
(4)
n =
120 Кп Кс d дд
и
C
1 — - ин
C
dдд = Кс d0^ 1 — -^,
дд с с cj ся’
(5)
и
fc
Q
К
1
2 Apq Рж
Ар =
(6)
Ррез =^ + Py
2
Py = Pz tg(h + j),
Pz =s St(Ke,+1) (7)
41Р = °в (Ke +
2 1 42ш =pRnHV 8 CK —
Sn
A
R,„
(9)
4о = 4,65
1 — 2m
j Sф
(10)
e
где #2р - удельное суммарное давление от действия сил резания и струи ТЖ (СОЖ), МПа; Чт.ш —удельное суммарное давление от действия сил вибронакатывания и струи ТЖ (РАС), МПа; д1р и д1ш — удельные давления, создаваемые в зонах обработки резцом и шариком, соответственно, МПа; Ч2 сож и Ч2 рас — удельные давления, (нагрузка), создаваемые в зонах обработки от действия напорных струй СОЖ и РАС, соответственно, МПа; К — коэффициент, учитывающий свойства ТЖ
(СОЖ или РАС); рж — плотность ТЖ, кГс/м3; Сж — скорость звука в ТЖ, м/с; ТЖ — суммарная скорость воздействия струй ТЖ на обрабатываемую поверхность, м/с; КТ — коэффициент, учитывающий изменения условий обработки и свойства ТЖ; ов — предел прочности обрабатываемого материала, МПа; а — угол наклона струи ТЖ.
К Т1(2) — коэффициенты, учитывающие изменение термодинамического состояния поверхности в
результате обработки соответствующей струей ТЖ вращающейся детали с учетом условий поперечного растекания, а также свойств ТЖ; Се — коэффициент потерь скорости ТЖ, учитывающий
расстояние от сопла до поверхности обрабатываемой детали (Се =0,7-0,9); иж — скорость ТЖ на
выходе из сопла, м/с; ид — скорость вращения детали, м/с; и — скорость подачи комбинированного
инструмента, м/с. n — частота действия струй ТЖ Кп — коэффициент перекрытия зон обработки;
К с — эмпирический коэффициент, учитывающий отличие размера контактной зоны обработки от
условного диаметра струи ТЖ (Кс = 1,2-3); ин — скорость с учетом наклона струи ин = иж sin а, м/с;
d — диаметр действия давлений от ТЖ; dG — диаметр сжатой струи можно принять равным
условному диаметру сечения сопла dу .
Q — расход ТЖ через отверстие dу ; Ар — перепад давления, кГс/м2; g — ускорение силы тяжести, м/с2; Кр — коэффициент расхода ТЖ (Кр =0,62- 0,625), г/л.
Py, Pz, Px — составляющие силы резания, Н; Ке и См - коэффициенты пропорциональности; М -момент от сил резания, Н-м ;
Rm - диаметр шарика, мм; S0, S^, - площадь отпечатка шарика номинальная и фактическая, мм2;
h - глубина вдавливания шарика при вибронакатывании, мм; Ск - коэффициент, учитывающий вибрацию шарика (Ск = 0,6 -0,8).
Е1, Е2 — модули упругости первого рода заготовки и шарика; q0 - удельное давление при минимальной нагрузки на шарик, МПа; m1, H2 — коэффициенты Пуассона заготовки и шарика.
Анализ формул обобщенной физико-математической модели показывает, что эффективность и качество процесса СКО с воздействием напорных струй ТЖ зависят от конструктивнотехнологических параметров процесса, условий обработки, геометрических параметров КИ и физикомеханических характеристик контактирующих тел. Для оценки влияния ТЖ необходимо проводить эксперименты по определению зависимости интенсивности воздействия напорных струй на процесс перехода металла из упругого состояния в упругопластическое. Эксперимент позволяет определить влияние на процессы резания и упрочения инструментом воздействия напорных струй ТЖ, а так же без них.
Использование предложенных математических зависимостей для заданных технологических условий обработки Р-ПД-НСТЖ позволяет определить основные конструктивно-технологические
параметры процесса и комбинированного инструмента (Р1ш. , йш , 1-у , dgg , fc и др). Например,
задаваясь £=Ь/ЛШ ~ 0,0001-0,0003, параметрами канавки РМР глубиной 2-5 мкм, шириной 0,2-0,3 мм
определяются величины R ш = 2 — 3 мм; Рш = 50 - ISO Н, Д^= (15 - 25) * 105 Па;
= 130 — 160 м/мин; = 600 — 900 м/мин.
Для оценки эффективности данной обработки проводили комплекс исследований на цилиндрических образцах-валах с наружным диаметром 30- 60 мм; 80-100 мм, длиной 600-700 мм из сталей 45, 40, 30ХГСА, получивших распространение при изготовлении штоков различных пневмо- и гидроагрегатов. Обработку проводили на металлорежущем станке мод. 1А616 при следующих условиях и режимах, полученных расчетно-экспериментальным путем, исходная точность заготовки — 10-11 квалитет, чашечный резец 060 мм с режущим элементом из материала Т15К6, деформирующий элемент — шарик диаметром 5-6 мм (ШХ15, HRC 60), скорость вращения заготовки 130-160 м/мин, осевая подача инструмента 0,08-0,15 мм/об, усилие деформирования 50-150 Н, амплитуда колебаний шарика 1-1,5 мм, глубина резания 1,5-2 мм, фаска на торце заготовки,
выполненная предварительно высотой 4 мм, статический натяг деформирования 1,5-2 мм, площадь сечения сопла 1-1,5 мм2; 1^ = 10 — 20 м/с, СОЖ - эмульсия под давлением (15-20)-105 Па, раствор антифрикционной смеси — состав масс %: медь хлорная — 10, олово двухлористое — 3-4, стеариновая кислота — 0,5, уксусная кислота — 8-10, мочевина (карбамид) — 1, дисульфид молибдена — 4, вода — 10, глицерин (динамитный) — остальное, давление подачи РАС — 20-25-105 Па.
В результате исследований, после такого комплексного воздействия на заготовку, выявлено, что при совмещенной обработке Р-ПД-НСТЖ на указанных выше режимах обеспечивается устойчивое резание и упрочнение вибронакатыванием металла, сплошное равномерное покрытие пленкой толщиной до 1,5 мкм на микровыступах неровностей обработанной поверхности с шероховатостью после обработки резцом 0,6<Яа<5 мкм. В зависимости от режима обработки и исходной шероховатости происходит изменение (улучшение) в сравнении с обработкой без РАС параметров качества поверхностного слоя: по критериям Яа с 0,63-0,45 до 0,3-0,16 мкм; Бт с 0,3-0,6 до 1 мм; 1р=50% с 38-40% до 32%; радиуса скругления вершин ^ и впадин г2 микронеровностей соответственно ^ с 0,8-1,2 до 2 мм и г2 с 1,4-1,7 до 2,5-3 мм. Таким образом, на поверхности формируется более пологий микрорельеф с особой вытянутой текстурой покрытия и тончайшего слоя метала основы толщиной до 1,5 мкм. Это происходит за счет благоприятного действия РАС, обеспечивающей смазку при пластическом деформировании шариком металлов покрытия и основы. При этом микротвердость покрытия повышается на 30-40%, а металла основы на 15-20%. В поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия величиной до 700 МПа, переходящие в растягивающие на глубине
0,2 мм. Точность при совмещенной обработке Р-ПД-НСТЖ повышается с 11-10 квалитета после резания до 9-8 квалитета после традиционного вибронакатывания и 8-7 квалитета с подачей СОЖ и РАС под давлением (15- 20)-105 МПа. Производительность увеличивается в 2-3 раза за счет совмещения операций обработки.
Изменения параметров качества поверхностного слоя приводят к значительному уменьшению контактного давления между деталями и коэффициентов трения, что резко снижает вероятность задиров рабочей поверхности и теоретически (в некоторых случаях практически) исключает изнашивание основных металлов трущихся деталей. Для подтверждения указанного, проводились сравнительные испытания на специальных установках типа 77МТ, СМЦ-2. Результаты испытаний приведены в таблице.
Результаты сравнительных испытаний образцов
Показатели качества обработки Обработка КИ, СОЖ поливом (без давления) Обработка КИ с подачей СОЖ и РАС под давлением »20-25 1 05Па
Износ обработанной поверхности, в условиях (Рнаг=6 МПа, М04 ч, v=800 мин-1) мГ, 116,7 38,4
Интенсивность износа Jh■10ь, мГ/м 4,8-5,2 1,74-1,81
Коэффициент трения 0,11-0,12 0,065-0,07
Задиростойкость, сек 71-73 172-225
Коррозионная стойкость в условиях влажного воздуха и морской воды, в % 100 350-450
Стойкость резца, мин 36 65
Таким образом, выше указанные результаты исследования и данные таблицы свидетельствуют, что новый совмещенный способ Р-ПД-НСТЖ (патент №122055), [3] обеспечивает более высокие показатели качества поверхностного слоя и точности обработки, стойкости резца (шара), износо- и задиростойкости и др. по сравнению с обработкой данным КИ в обычных традиционных условиях, когда СОЖ в зону обработки резцом подавали способом полива (без давления), а в зону обработки шариком РАС не подавали.
ЛИТЕРАТУРА
1. Качество машин: справочник: в 2 т. Т 2 / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, А.М. Дальский и др. М.: Машиностроение, 1995. 430 с.
2. Сорокин В.М., Комбинированная антифрикционно-упрочняющая обработка деталей машин. Горький: Всесоюз. совет науч.-техн. обществ. 1985. 91 с.
3. Многофункциональное устройство для режуще-деформирующей обработки с нанесением антифрикционных покрытий / Сорокин В.М., Тудакова Н.М., Михеев А.В. и др. // Вопросы вибрационной технологии: межвуз. сб. науч. статей. Ростов н/Д.: ДГТУ, 2012. С. 116-119.
4. Устройство для комплексной обработки трущихся поверхностей валов / Сорокин В.М., Иванов В.В., Колпаков А.В. и др.// Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи, решения: сб. науч. тр. Орск: Изд. ОГТИ (филиал) ОГУ, 2012. С. 117-120.
Сорокин Виталий Матвеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Надежность и ремонт машин» Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии
Михеев Александр Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Нижегородского государственного технического университета
Тудакова Нина Михайловна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Нижегородского государственного технического университета
Vitaliy M. Sorokin -
Dr., professor of Department «Reliability and maintenance of machinery» Nizhniy Novgorod State Agricultural Academy
Alexander V. Micheev -
Ph.D., associate professor, Department «Technology machine» Nizhniy Novgorod State Technical University
Nina M. Tudakova -
Ph.D., associate professor, Department «Technology machine» Nizhniy Novgorod State Technical University
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
