CC BY
15
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.9.015
Повышение точности и качества изготовления в технологическом процессе прецизионных поверхностей гидроцилиндров шахтных крепей на основе локального термического воздействия
В. В. Максаров, Д. Ю. Тимофеев, А. Е. Ефимов
Рассмотрены вопросы повышения качества и точности обработки в технологическом процессе изготовления гидроцилиндров горного оборудования за счет создания локальной термической метаста-бильности. Создание локальной неоднородной структуры осуществляется благодаря нагреву поверхности стальной заготовки электроконтактными щетками выше точек фазового перехода. При пересечении плоскости резания с зоной локального термического воздействия изменяются квазиупругие и диссипативные свойства процесса стружкообразования, что ведет к подавлению возникающего автоколебательного процесса в технологической системе. За счет этого достигаются заданные в технологическом процессе качество шероховатости и точность формы прецизионных поверхностей.
Ключевые слова: технологический процесс, локальное термическое воздействие, метастабильность, технологическая система, механическая обработка, автоколебательный процесс, шероховатость, точность изготовления.
Введение
В современном горном машиностроении актуальна проблема повышения точности и качества изготовления в технологическом процессе прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров шахтных крепей. Она связана, прежде всего, с высокой вероятностью выхода из строя гидравлического агрегата шахтных крепей вследствие нарушения герметизирующей способности уплотнитель-ных колец (порядка 70 %), в результате чего в контактную зону попадают микрочастицы пыли и породы, вызывающие на прецизионных поверхностях контактных пар абразивный и адгезионный износ.
Для обеспечения эксплуатационных характеристик гидроцилиндров шахтных крепей необходимо в технологическом процессе соблюдать требования, предъявляемые к геометрическим параметрам качества и точности изготовляемых прецизионных поверхностей контактных пар. Так, для детали «шток» пара-
метр шероховатости поверхности В,а должен составлять 0,63 мкм, а для детали «цилиндр» — не менее 0,32 мкм.
Заданные параметры, применяемые к качеству контактных пар в существующем технологическом процессе, достигаются на конечной операции шлифования, однако наряду с положительными качествами имеется и ряд недостатков. Во-первых, в результате перегрева детали в процессе обработки могут появиться шлифовочные прижоги и микротрещины. Во-вторых, могут возникнуть в поверхностном слое напряжения растяжения, вызывающие ускоренный износ и разрушение деталей в процессе эксплуатации. Эти недостатки шлифовальной операции в технологическом процессе изготовления прецизионных поверхностей контактных пар в дальнейшем скажутся на эксплуатационных функциях гидроцилиндров шахтной крепи.
Для соблюдения параметров качества и точности изготовления прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров целе
х, мкм
40 0
-40 -80
А, мкм 40 0
0
100 (97.7)
200 (195.3)
300 (293.0)
400 (390.6) и (/, Гц)
Рис. 1. Свободные колебания для подсистемы «инструмент» в направлении оси X на станке 1К62: V = 75 м/мин; э = 0,21 мм/об; Ьс = 4 мм
сообразнее отказаться от шлифовальной операции и заменить ее на конечном этапе технологического процесса лезвийной обработкой. Параметры, предъявляемые к прецизионным поверхностям при чистовой лезвийной операции, обеспечиваются за счет динамической стабилизации технологической системы механической обработки (ТСМО).
В технологическом процессе изготовления прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров на этапе чистовой лезвийной операции следует учитывать возникновение вредных вибраций, которые характеризуются возмущающими силами, инерционными и упругодиссипативными свойствами ТСМО. Появление возмущающих сил в упругой системе приводит к изменению состояния деформированной зоны и изменению сил резания. Эти изменения не могут распространиться мгновенно на всю зону деформации, что приводит к запаздыванию изменения сил резания. Наличие запаздывающих сил раскачивают упругозамкнутую ТСМО, в результате чего лезвийная обработка сопровождается автоколебательным процессом (рис. 1).
Следует отметить, что существенное влияние на динамическую устойчивость ТСМО, как правило, оказывают упругопластические свойства срезаемого слоя металла как в зоне пластической деформации, так и в зоне кон-
тактного взаимодействия сходящей стружки с передней поверхностью инструмента, которые серьезно влияют на состояние замкнутой упругой системы и развитие автоколебательных процессов. В результате потери устойчивости процесса обработки и возникновения автоколебаний и усиливается изнашивание пластины режущего инструмента, вследствие чего понижается качество шероховатости поверхностного слоя заготовки и точность изготовления.
Описание теоретических и экспериментальных работ
Перспективным способом, позволяющим изменить реологические параметры в процессе стружкообразования при лезвийной обработке для подавления автоколебательного процесса, является локальный электроконтактный метод. Сущность способа заключается в нагреве поверхностного слоя материала выше температуры критической точки фазового перехода (рис. 2) и создании в ней локальной зоны с неравновесной структурой.
Слой а, нагретый выше критической точки Ас3 получит зону с локальной метастабильно-стью, а слой в, нагретый выше точки АС1, но ниже точки АС3, получит зону, состоящую из отпуска. После нанесения локального терми-
Т°, С
Ас3 Ас1
t л.м, мм
Рис. 2. Строение зоны фазового перехода в поверхностном слое материала:
1 — в момент нагрева; 2 — через заданный промежуток времени после окончания обработки; 3 — температура критических точек; 4 — угольные щётки; 5 — ток; 6 — зона отпуска; 7 — основной металл; 8 — зона локальной метастабильности
Рис. 4. Структурные изменения поверхностного слоя в зоне локального электроконтактного воздействия стали 45:
1 — основной металл; 2 — зона ЛТВ; 3 — заливка образца
ческого воздействия произойдет перераспределение температуры внутрь основного материала заготовки в соответствии с линией 2 за счет теплопроводности. Глубина зоны с локальной метастабильностью при интенсивном нагреве определяется распределением температур по сечению заготовки, что может быть регулируемо с разной степенью точности.
Приповерхностный слой заготовки нагревается электроконтактными щетками посредством сварочного трансформатора мощностью от 25 до 200 кВт. При прохождении тока силой 120-180 А в зазоре между контактными элементами и в локальной области на поверхности заготовки создается большая плотность тока — 350-550 А на 1 мм ширины контактного элемента. Скорость движения контактного элемента (обычно это медный ролик) или угольные щетки 5-8 мм/с при глубине мета-стабильной структуры 0,1-3 мм (рис. 3).
После проведенных исследований по нанесению локального электроконтактного воздействия производился металлографический анализ, который позволил установить в приповерхностном слое заготовки из стали 45 отличную от основного металла структуру (рис. 4).
Подвергая обрабатываемый материал локальному термическому воздействию, а затем срезая этот поверхностный слой, необходи-
Рис. 3. Устройство для нанесения по винтовой линии предварительного локального электроконтактного воздействия с помощью угольных элементов
а)
Х,/ХБ
0,5 0,0
-0,5
-1,0
б)
Х/Х/
0,28 0,56 0,83 1,11 1,39 1,67
г, с
-1,0
1,25 1,5 г, с
Рис. 5. Осциллограмма расчетных виброперемещений х при лезвийной обработке заготовки, предварительно подготовленной методом термического воздействия: а — при Ьт < а, где Ьт — глубина воздействия; а — глубина срезаемого слоя; х3 — относительное статическое значение перемещения; б — при Ьт > а
мо обеспечить большую глубину резания, чем глубина самого воздействия. Несоблюдение этого условия приведет к двум нежелательным последствиям: во-первых, обработанная поверхность будет иметь локальные зоны с другими физико-механическими свойствами, нежели материал заготовки, что отрицательно скажется на эксплуатационных свойствах детали; во-вторых, при обработке резко снизится период стойкости резца, так как его вершина будет подвержена периодическим ударам.
На станке 1К62 с использованием специального измерительного динамического стенда проведены экспериментальные исследования виброперемещения для подсистемы «инструмент» по нормали к обрабатываемой поверхности заготовки из стали 45 с предварительно нанесенным локальным термическим воздействием и без использования этого метода (рис. 5).
Для сравнения производились теоретические исследования чистовой лезвийной операции при обработке заготовки из стали 45, предварительно подвергнутой электроконтактному воздействию в локальной зоне. Во время обработки были получены виброперемещения по нормали к обрабатываемой поверхности для подсистемы инструмент в направление оси х (рис. 6).
а)
Эксперимент 3 Канал 2 Отсчетов 4096
20
-20
-40
0
100.0 200.0
300.0
400.0 г, мс
А, мкм
20
1 1 г 1 гттттгЖ- .1........
б)
0 100 (195.3) 200 (390.6) 300 (585.9) 400 (781.3) т (/, Гц)
Эксперимент 5 Канал 2 Отсчетов 4096
20 0
-20 -40 А, мкм 20
100.0
200.0
300.0
400.0 г, мс
..........
0 100 (195.3) 200 (390.6) 300 (585.9) 400 (781.3) т (/, Гц)
Рис. 6. Виброперемещения для подсистемы «инструмент» при обработке стали 45, предварительно подготовленной методом электроконтактного воздействия на станке 1К62: а — V = 75 м/мин; з = 0,21 мм/об; Ьс = 4 мм; б — V = 75 м/мин; з = 0,21 мм/об; Ьс = 7 мм
0
Х, мкм
0
Х, мкм
I ЛЕТАЛЛ00 БРАБОТКА
м/мм
100
50
Усто йчиво г
шг г
г
„ШГ Н< устойч иво
I
чц шнж шш
0
4
8
12
Ьс, мм
Рис. 7. Расчетная граница области устойчивости технологической системы механической обработки в плоскости параметров: Ьс — ширина срезаемого слоя, мм; и3 — скорость обработки, м/мин
Отклонения теоретически полученной границы области устойчивости (рис. 7) от построенной по экспериментальным данным составили 17-23 %.
Результаты анализа шероховатости поверхности, полученные экспериментальным путем после обычной обработки и при точении с локальным термическим воздействием в параметрах системы, соответствующих режиму резания, близкому к неустойчивому процессу, при котором возникают вредные вибрации, показаны на рис. 8.
Выводы
1. Теоретические и экспериментальные виброперемещения в направлении оси х подсистемы «инструмент» подтверждают, что соз-
а) мкм Ю,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0 -2,0 -4,0 -6,0
б)
мкм 3,0
2,0 \
1,0 0
4,0 мм
4,0 мм
Рис. 8. Профилограммы обработанных поверхностей: а — после обработки обычной заготовки; б — после точения заготовки с предварительным локальным термическим воздействием: станок 1К62, режущий материал Т15К6 (у = 5°; ф = 60°; г = 0,2 мм), и = 75 м/мин, s = 0,21 мм/об, г = 0,1 мм
дание локальной метастабильности помогает достичь изменения квазиупругих и диссипа-тивных свойств процесса стружкообразова-ния, подавляя при этом возникающие вибрации в процессе лезвийной обработки.
2. При нанесении предварительного локального термического воздействия на поверхность заготовки из стали 45 с последующей механической обработкой соблюдаются требования, предъявляемые к параметрам шероховатости поверхности и точности формы в технологическом процессе изготовления прецизионных поверхностей штоков гидроцилиндров шахтных крепей.
3. Возможность получения требуемых параметров качества шероховатости поверхности позволяют отказаться в технологическом процессе от конечной операции шлифоваль-
ной обработки, что, в свою очередь, уменьшит себестоимость выпускаемого изделия.
Литература
1. Вейц В. Л., Максаров В. В. Повышение устойчивости технологической системы при управлении реологическими параметрами процесса стружкообразования // Машиностроение и автоматизация производства: меж-вуз. сб. Вып. 16. СПб.: СЗПИ, 1999. С. 19-29.
2. Гуляев А. П. Термическая обработка стали. М.: Машгиз, 1960.
3. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1987. 179 с.
4. Точность механической обработки и пути ее повышения / Под ред. А. П. Соколовского. М.; Л.: Машгиз, 1951. 560 с.
5. Программа ремонта шахтной крепи (полный ремонт в условиях цеха РГО шахты). ОАО «Угольная компания "Шахта Красноармейская-Западная № 1", 2005. 12 с.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Справочник конструктора : Справочно-методическое пособие / Под ред. И. И. Матюшева. — СПб.: Политехника, 2006. — 1027 с. : ил. ISBN 5-7325-0552-0 Цена: 1520 руб.
Справочник конструктора, подготовленный коллективом ведущих специалистов различных отраслей, является справочно-методическим пособием для конструкторов всех категорий. В справочнике приведены рекомендации по методам конструирования в соответствии с современным техническим уровнем, требования к конструкциям по эргономике, надежности, технологичности и т. п. Излагаются методы расчета и этапы конструирования основных узлов машин — исполнительных органов, приводов, передач и несущих конструкций. Приводятся справочные данные по системам подачи жидкостей, газов, арматуре, по видам подвижных и неподвижных соединений, допускам, посадкам. Даются характеристики и основные свойства различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс, композиционных материалов и других.
В справочник включены разделы по динамике машин, системам автоматики, конструкциям узлов электрооборудования и вопросы автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ. В отдельном разделе даны различные справочные материалы по выполнению типовых элементов деталей и оформлению чертежей.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.
