CC BY
8
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621:787
А. М. Довгалев, И. А. Тарадейко
ПРОГРЕССИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ
СОВМЕЩЕННОГО МАГНИТНО-ДИНАМИЧЕСКОГО НАКАТЫВАНИЯ
UDC621:787
A. M. Dovgalev, I. A. Taradeiko
BREAKTHROUGH TOOL DESIGN FOR COMBINED MAGNETODYNAMIC ROLLING
Аннотация
В статье приведены сведения о новом инструменте для совмещенного магнитно-динамического накатывания, снабженном демпфирующим кольцом и накопителем смазочного материала. Приведены результаты исследований повышения стойкости деформирующих шаров предложенного инструмента и снижения шумовых характеристик процесса совмещенного магнитно-динамического накатывания.
Ключевые слова:
деформирующие шары, накатывание, магнитопровод, цилиндрический постоянный магнит, магнитная система, износ и стойкость сферической поверхности шаров, шероховатость поверхности, уровень шума, уровень звукового давления, уровень звука.
Abstract
The article presents information on a new tool provided with a damping ring and a lubricant accumulator to be used in combined magnetodynamic rolling. The results of studies on increasing the durability of deforming balls of the tool proposed and reducing noise characteristics of the process of combined magnetodynamic rolling are presented.
Keywords:
deforming balls, rolling, magnetic circuit, cylindrical permanent magnet, magnetic system, wear and durability of the spherical surface of balls, surface roughness, noise level, sound pressure level, sound level.
Введение
Для повышения долговечности деталей машин достаточно широкое применение находят статические и динамические методы поверхностного пластического деформирования [1-4].
В последние годы возрос интерес к разработке методов поверхностного пластического деформирования, при реализации которых осуществляют комплексное энергетическое воздействие на поверхностный слой упрочняемой
© Довгалев А. М., Тарадейко И. А., 2021
детали [5-7]. К их числу относится метод совмещенного магнитно-динамического накатывания, при котором на поверхностный слой ферромагнитной детали одновременно воздействуют вращающимся магнитным полем и колеблющимися деформирующими шарами, осуществляющими импульсно-ударное деформирование [8-10].
Предложенный метод совмещенного магнитно-динамического накатывания (СМДН) позволяет получить на поверхности ферромагнитных деталей
антифрикционный наноструктурирован-ный поверхностный слой, обладающий новыми физико-механическими характеристиками и высокими эксплуатационными свойствами [11, 12].
Важной характеристикой процесса СМДН является долговечность применяемого комбинированного инструмента, определяющая производительность, точностные и качественные характеристики обработки.
Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время отсутствуют сведения о стойкости деформирующих шаров комбинированных инструментов, осуществляющих процесс СМДН.
В связи с этим проведение исследований стойкости элементов комбинированного инструмента представляется важной и своевременной технологической задачей. Например, сведения о стойкости деформирующих шаров инструмента позволят осуществлять их своевременную замену и обеспечивать требуемые качественные характеристики и микрорельеф упрочняемой поверхности ферромагнитных деталей.
Проведенные исследования процесса СМДН показали, что долговечность комбинированного инструмента определяется в первую очередь стойкостью деформирующих шаров, а также величиной износа торцовых поверхностей элементов, образующих кольцевую камеру [13].
При осуществлении процесса СМДН деформирующие шары находятся в магнитном поле и осуществляют вращение вокруг продольной оси инструмента, вращение вокруг собственных осей, радиальные колебательные движения в плоскости их расположения. При этом деформирующие шары периодически взаимодействуют с упрочняемой поверхностью ферромагнитной детали и наружной поверхностью оправки (или магнитной системы), а также контактируют с торцами элементов, образующих кольцевую камеру. Возникающие в зонах перио-
дического контакта деформирующих шаров с поверхностью детали и элементами инструмента силы трения, силовые и температурные воздействия, вызванные высокой скоростью деформирования микронеровностей упрочняемого металла, определяют износ их сферических рабочих поверхностей.
Износ деформирующих шаров комбинированного инструмента приводит к увеличению шероховатости и появлению погрешности геометрической формы их сферической поверхности. Увеличение шероховатости деформирующих шаров инструмента в процессе износа приводит, в свою очередь, к росту высоты микронеровностей упрочняемой поверхности детали, а следовательно, и к снижению качественных характеристик обработки.
Исследования процесса СМДН позволили установить, что интенсивный износ деформирующих шаров наблюдается в начальный момент работы (в момент пуска) инструмента, когда скорость относительного проскальзывания деформирующих шаров по торцовой поверхности элементов кольцевой камеры максимальна, а смазка в зоне их контакта отсутствует.
Усовершенствованная конструкция комбинированного инструмента
Выявленные особенности износа деформирующих шаров позволили разработать усовершенствованную конструкцию комбинированного инструмента, обеспечивающего повышение их стойкости и снижение уровня шума в процессе СМДН (рис. 1).
Комбинированный инструмент, наряду с оправкой 1, деформирующими шарами 2, кольцевой камерой 3, двумя магнитными системами, первая из которых содержит кольцевые магнитопро-воды 4, 5, аксиально установленные цилиндрические постоянные магниты 6, 7 (предназначена для намагничивания ферромагнитной детали), вторая вклю-
чает зубчатый магнитопровод 8, аксиально установленные цилиндрические постоянные магниты 9, 10 (предназначена для сообщения деформирующим шарам 2 колебательных движений), снабжен демпфирующим кольцом 11 и накопителем жидкого смазочного
материала в виде фетрового кольца 12.
Демпфирующее кольцо 11 выполнено из пружинного материала, установлено на кольцевых бутиках 13, 14 с зазором и имеет возможность самоустановки в радиальном направлении [14].
Рис. 1. Конструкция комбинированного инструмента для СМДН с демпфирующим кольцом и накопителем смазочного материала: 1 - оправка; 2 - ферромагнитные деформирующие шары; 3 - кольцевая камера; 4, 5 - кольцевые магнитопроводы; 6, 7, 9, 10 - цилиндрические постоянные магниты; 8 - зубчатый магнитопровод; 11 - демпфирующее кольцо; 12, 13 - кольцевые буртики; 14 - фетровое кольцо
В процессе СМДН деформирующие кольцо 11 самоустанавливается и исключает жесткое силовое взаимодействие деформирующих шаров 2 с магнитной системой инструмента. Одновременно накопитель жидкого смазочного материала в виде фетрового кольца 12 удерживает смазку, подаваемую в зону обработки, и обеспечивает непрерывное смазывание деформирующих шаров (в том числе в начальный момент работы инструмента). В результате повышается стойкость деформирующих шаров 2 инструмента и существенно снижается уровень шума в зоне обработки.
Исследование стойкости деформирующих шаров
Отделочно-упрочняющую обработку СМДН кольцевых заготовок и контрольных деталей осуществляли на вертикально-фрезерном станке мод. ВФ 130.
Материал кольцевых заготовок для изнашивания деформирующих шаров -сталь 45 (30...35 HRC). Материал контрольных деталей - сталь 45 (190.200 НВ). Отверстие кольцевых заготовок для изнашивания деформирующих шаров и контрольных деталей предварительно растачивали в размер 0110Н8 мм. Шеро-
ховатость поверхности контрольных деталей после растачивания по параметру Ra составляла 3,0.. .3,2 мкм.
Параметры усовершенствованного комбинированного инструмента: диаметр деформирующих шаров - 12 мм; материал деформирующих шаров -ШХ 15 (62.65 НКС); материал цилиндрических постоянных магнитов -№ Fe В; размер применяемых цилиндрических магнитов (р х ^ - 15 х 5 мм; количество магнитов, осуществляющих воздействие на деформирующие шары -22 шт.; количество цилиндрических постоянных магнитов, осуществляющих намагничивание поверхностного слоя упрочняемых нежестких стальных колец -32 шт.; материал магнитопроводов -сталь Ст 3; толщина демпфирующего кольца - 2 мм; материал демпфирующего кольца - сталь 65Г. Исходная шероховатость сферической поверхности деформирующих шаров комбинированного инструмента Ra = 0,1 мкм.
Режимы процесса СМДН: частота вращения инструмента - 2240 мин-1; подача - 80 мм/мин; индукция магнитного поля, действующего на поверхность кольцевых ферромагнитных заготовок, В = 0,130 Тл; радиальный зазор между деформирующими шарами и демпфирующим кольцом инструмента - 3,0 мм; охлаждение - масло индустриальное.
Износ деформирующих шаров оценивали в ходе осуществления процесса СМДН внутренней цилиндрической поверхности упомянутых заготовок. Комбинированному инструменту сообщали вращение и возвратно-поступательное движение (вниз-вверх относительно кольцевой заготовки).
Процесс СМДН останавливали через каждые 10 мин работы инструмента, что исключало нагрев заготовки и магнитной системы более 60 °С. Через каждые 5 ч работы деформирующих шаров комбинированного инструмента производили отделочно-упрочняющую обработку контрольной детали с измерением
шероховатости ее поверхности. Одновременно измеряли шероховатость поверхности деформирующих шаров на профилометре-профилографе «Мки-Шуо» мод. SJ-210 (Япония).
Износ деформирующих шаров инструмента, выражающийся в увеличении шероховатости их сферической поверхности, приводил к увеличению шероховатости поверхности обрабатываемых заготовок. Согласно рекомендациям, за критерий износа деформирующих шаров принимали максимально допустимое увеличение шероховатости их сферической поверхности, при которой шероховатость обрабатываемой заготовки не выходит за пределы рассматриваемого класса шероховатости, заданного чертежом [15].
Анализ результатов экспериментальных исследований, представленных на рис. 2 и 3, показывает, что стойкость деформирующих шаров зависит от твердости упрочняемых заготовок. При СМДН заготовок из стали 45 ГОСТ 1050-88 (130.200 НВ) период стойкости деформирующих шаров составил 77,2 ч, а при СМДН заготовок из стали 45 (30.35 ЖС) - 52,4 ч.
Предельная шероховатость сферической поверхности деформирующих шаров при упрочнении СМДН контрольных деталей из стали 45 (190.200 НВ) составила 0,48 мкм, а при обработке контрольных деталей из стали 45 (30.35 Ш.С) - Ra = 0,42 мкм.
Изношенные деформирующие шары комбинированного инструмента с шероховатостью сферической поверхности по параметру Ra более 0,42 мкм (при обработке стальных заготовок твердостью 30.35 НКС) и более 0,48 мкм (при обработке стальных заготовок твердостью 190.200 НВ) подлежат замене на новые или требуют восстановления (снижения шероховатости сферической поверхности известными технологиями отделочной обработки).
1
мкм 0,8
0,6
Ra 0 /0,2 О
> /
- —рт н
-ч и
— У—^
1 \
10
20
30
40
^ 60 '' 7С t2 8С
Рис. 2. Зависимость шероховатости поверхности контрольных деталей от времени работы инструмента: 1 - при обработке деталей из стали 45 (190.200 НВ); 2 - при обработке деталей из стали 45 (30.35 НЯС)
г
Рис. 3. Зависимость шероховатости сферической поверхности шаров от времени работы инструмента: 1 - при обработке деталей из стали 45 (190.200 НВ); 2 - при обработке деталей из стали 45 (30.35 НЯС)
Исследование шумовых характеристик процесса СМДН
При СМДН наличие шума в зоне обработки в основном обусловлено им-пульсно-ударным взаимодействием деформирующих шаров с поверхностью упрочняемой нежесткой ферромагнитной детали, а также с элементами магнитной системы комбинированного
инструмента [16].
Исследования шумовых характеристик процесса СМДН при применении усовершенствованного комбинированного инструмента, описанного выше, осуществляли с помощью прибора для измерения шума и вибраций ВШВ-003-М2 (согласно ГОСТ 12.050-86 Методы измерения шума на рабочих местах).
Измерение шума при СМДН
производили с целью оценки его соответствия допустимому уровню шума станков (согласно отраслевому стандарту ОСТ 2Н89-40-75) и выявления преимуществ усовершенствованного комбинированного инструмента, оснащенного специальным демпфирующим кольцом, исключающим ударное взаи-
модействие деформирующих шаров с магнитной системой [14].
Постоянный шум характеризуют уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, результаты измерения которых представлены на рис. 4.
я и н е л в
а
д
о г о в о
к
у
в
з
и н в
о р
120 дБ 110
100
90
80
70
60
50
/
2
3
31,5 63 125 250 500 1000 2000 Гц 8000
Среднее геометрическое значение частоты
Рис. 4. Октавные уровни звукового давления исследуемых методов обработки: 1 - допустимый уровень шума станков (ОСТ 2Н80-40-75); 2 - магнитно-динамическое накатывание; 3 - СМДН с усовершенствованным комбинированным инструментом
Результаты экспериментальных исследований позволили установить, что уровни звукового давления при магнитно-динамическом накатывании и СМДН не превышают допустимые уровни звукового давления для металлорежущих станков (ОСТ 2Н89-40-75).
Важной характеристикой постоянного шума также является уровень звука, экспериментальные измерения которого для исследованных методов обработки представлены на рис. 5.
Как видно из рис. 5, уровень звука
при осуществлении процессов магнитно-динамического накатывания и СМДН не превышает установленных норм (ОСТ 2Н89-40-75).
Усовершенствованный комбинированный инструмент, снабженный демпфирующим кольцом, позволяет снизить уровень звука по отношению к магнитно-динамическому накатыванию на 4.12 дБА, а по отношению к СМДН традиционным комбинированным инструментом - на 2.5 дБА, что существенно улучшает условия труда.
П
Рис. 5. Уровень звука при различных частотах вращения комбинированного инструмента:
1 - допустимый уровень звука металлорежущих станков; 2 - магнитно-динамическое накатывание; 3 - СМДН; 4 - СМДН комбинированным инструментом с демпфирующим кольцом
Заключение
Разработан и исследован комбинированный инструмент для СМДН внутренней цилиндрической поверхности нежестких ферромагнитных деталей, снабженный демпфирующим кольцом и накопителем смазочного материала (патент BY 19423).
Установлено, что период стойкости деформирующих шаров усовершенствованного комбинированного инструмента составляет 77,2 ч (для заготовок из стали 45 твердостью 180.200 НВ) и 52,4 ч (для заготовок из стали 45
твердостью 30.35 НКС). Предложенный инструмент обеспечивает повышение стойкости деформирующих шаров (в сравнении с традиционными инструментами для магнитно-динамического накатывания) в 9,5-10,1 раза.
Выявлено, что усовершенствованный комбинированный инструмент, снабженный демпфирующим кольцом, позволяет снизить уровень звука по отношению к инструментам для магнитно-динамического накатывания на 4.12 дБА, а по отношению к инструментам для СМДН - на 2.5 дБА.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смелянский, В. М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / В. М. Смелянский. - Москва: Машиностроение, 2002. - 300 с.
2. Технология и инструменты для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник в 2 т. / Под общ. ред. А. Г. Суслова. - Москва: Машиностроение, 2014. - Т. 1. - 480 с.
3. Технология и инструменты для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник в 2 т. / Под общ. ред. А. Г. Суслова. - Москва: Машиностроение, 2014. - Т. 2. - 444 с.
4. Энциклопедия поверхностного пластического деформирования / Под общ. ред. С. А. Зайдеса. -Иркутск : ИРНИТУ, 2015. - 394 с.
5. Способ упрочнения стальных деталей и устройство для его осуществления: а. с. 8и 166819 / А. С. Таранов, Ю. А. Семенов. - Опубл. 26.08.1991.
6. Таранов, А. С. Повышение эффективности упрочнения поверхности валов при ремонте сельскохозяйственной техники поверхностным пластическим деформированием в переменном магнитном поле : автореф. дис. . д-ра техн. наук / А. С. Таранов. - Челябинск, 2010. - 44 с.
7. Таранов, А. С. Упрочнение валов методом ППД в ПМП / А. С. Таранов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - № 2. - С. 44-45.
8. Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления: пат. Яи 2068770 / А. М. Довгалев. - Опубл. 10.11.1996.
9. Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления: пат. Яи 2089373 / А. М. Довгалев. - Опубл. 10.09.1997.
10. Довгалев, А. М. Магнитно-динамическое и совмещенное накатывание поверхностей нежестких деталей / А. М. Довгалев. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. - 266 с.
11. Довгалев, А. М. Повышение эффективности упрочнения поверхностей ферромагнитных деталей совмещенным магнитно-динамическим накатыванием / А. М. Довгалев // Обработка металлов (Технология, оборудование, инструменты). - 2018. - Т. 20, № 3. - С. 18-35.
12. Шелег, В. К. Исследование триботехнических свойств поверхностей деталей, упрочненных совмещенным магнитно-динамическим накатыванием / В. К. Шелег, А. М. Довгалев // Актуальные вопросы машиноведения. - 2018. - Т. 7. - С. 330-334.
13. Свирепа, Д. М. Технологическое обеспечение качества внутренней цилиндрической поверхности деталей магнитно-динамическим раскатыванием : автореф. дис. . канд. техн. наук / Д. М. Свирепа. -Могилев, 2013. - 26 с.
14. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрического отверстия детали: пат. BY 19423 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, С. А. Сухоцкий. - Опубл. 30.08.2015.
15. Папшев, Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / Д. Д. Папшев. - Москва: Машиностроение, 1978. - 152 с.
16. Свирепа, Д. М. Исследование шумовых характеристик процесса магнитно-динамического упрочнения / Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков, А. М. Довгалев // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 16-17 апр. 2009 г. : в 3 ч. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2009. - Ч. 1. - С. 102.
Статья сдана в редакцию 14 апреля 2021 года
Александр Михайлович Довгалев, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-29-345-40-56. E-mail: rct@bru.by.
Иван Анатольевич Тарадейко, ассистент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-33-659-38-68. E-mail: IvanTaradeiko@yandex.ru.
Alexander Mikhailovich Dovgalev, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-29-345-40-56. E-mail: rct@bru.by.
Ivan Anatolievich Taradeiko, assistant, Belarusian-Russian University. Phone: +375-33-659-38-68. E-mail: IvanTaradeiko@yandex.ru.
