CC BY
9
УДК 621.31
Д. М. Свирепа, А. С. Кручинина
ТОЧНОСТНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ И МАГНИТНО-ДИНАМИЧЕСКИМ НАКАТЫВАНИЕМ
UDC 621.31
D. M. Svirepa, A. S. Kruchynina
ACCURACY CAPABILITIES OF THE COMBINED TECHNOLOGY OF CUTTING AND MAGNETODYNAMIC ROLLING
Аннотация
Технологии обработки внутренней цилиндрической поверхности деталей с использованием совмещенных инструментов имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями. Совмещение двух технологических операций в одной (резания и магнитно-динамического накатывания) повышает производительность обработки, снижает себестоимость изготовления деталей, а также повышает качественные характеристики обработанной поверхности. Проведенные исследования позволяют дать рекомендации технологам при проектировании технологического процесса по расчету припуска на совмещенную обработку.
Ключевые слова:
совмещенная обработка, точность, припуск, накатывание.
Abstract
Techniques for processing an inner cylindrical surface of parts using combined tools have a number of advantages over traditional technologies. The combination of two technological operations in one (cutting and magnetodynamic rolling) increases machining efficiency, reduces manufacturing costs, and improves quality characteristics of the surface machined. The research carried out provides process engineers, who design a technological process, with the recommendations for calculating a machining allowance for combined treatment.
Keywords:
combined treatment, accuracy, machining allowance, rolling.
Введение
Технологии совмещенной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием позволяют достичь высоких показателей обрабатываемой поверхности, а также сократить сроки производства деталей, что обеспечивает повышение производительности и рост конкурентоспособности продукции [1-3].
Технологии отделочно-упрочняю-щей обработки отверстий с использова-
нием магнитно-динамических систем для разгона деформирующих элементов, наряду с классическими способами обработки внутренних цилиндрических поверхностей деталей, имеют ряд преимуществ, таких как достижение высоких качественных характеристик поверхностного слоя обрабатываемых заготовок за счет увеличения долговечности, износостойкости, коррозионной стойкости изделия при минимальных временных затратах [4-12]. Целью данных исследований является определение
© Свирепа Д. М., Кручинина А. С., 2021
точностных возможностей технологии совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием.
Технология совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим
накатыванием с радиальным расположением магнитной системы
Технология обработки обеспечивает совмещение двух технологических операций чистового растачивания и магнитно-динамического накатывания в одну, что повышает производительность и эффективность обработки,
а также сокращает технологическое время на обработку, позволяет производить обработку отверстий деталей от 40 мм и выше [12-21].
Процесс обработки объединяет расточную и отделочно-упрочняющую операции, выполняемые за счет расточного и магнитно-динамического модулей, соосно установленных на оправку 1 друг за другом.
На рис. 1 представлена схема обработки детали инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием.
Рис. 1. Схема совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы: I - расточной модуль; II - магнитно-динамический модуль; 1 - оправка; 2 - радиальное цилиндрическое отверстие; 3 - резец, 4 - поджимные винты; 5 - кольцевой постоянный магнит; 6 - металлическая щетка; 7 - фетровая втулка; 8 - втулка; 9 - диски; 10 - кольцевая камера; 11 - деформирующие шары; 12 - обойма; 13 - радиальные отверстия; 14 - цилиндрические магниты; 15 - обрабатываемая поверхность
Расточной модуль I, в свою очередь, имеет радиальное цилиндрическое отверстие 2 под установку резца для чистовой обработки 3, фиксация которого происходит за счет поджимных винтов 4, служащих для предотвращения поворота резца 3 во время растачивания. Удаление частиц образуемой после расточной операции стружки происходит с помощью кольцевого постоянного магнита 5, металлической щетки 6, а фетровая втулка также способствует нанесению смазки. Для размещения элементов очистки от стружки (металлической щетки 6 и фетровой втулки 7) используется втулка 8.
Магнитно-динамический модуль II состоит из двух немагнитопроводных дисков 9, образующих кольцевую камеру 10, со свободно размещающимися в ней деформирующими шарами 11, обоймы 12, выполненной из немагнито-проводного материала, в радиальных отверстиях 13 которой размещают основные источники постоянного магнитного поля - цилиндрические магниты 14. Радиальное расположение постоянных цилиндрических магнитов 14 в обойме 12 магнитной системы повышает динамику деформирующих шаров и способствует аксиальному колебательному движению, что позволяет осуществлять высокочастотное ударное воздействие на обрабатываемую поверхность 15, повышая ее эксплуатационные свойства. В патроне станка токарной группы фиксируется оправка 1, на которой соосно установлены оба модуля.
Для более эффективного процесса модифицирования поверхностного слоя магнитно-динамическим модулем II рекомендуется сообщить дополнительную скорость вращения обрабатываемой детали, совпадающей со скоростью вращения совмещенного инструмента, что позволит значительно снизить скорость вращения расточного модуля I и увеличить его стойкость.
Оправка инструмента для совмещенной обработки устанавливается в револьверную головку. Расточной модуль
подводится к обрабатываемой поверхности. Настройка инструмента для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием производится исходя из припуска на чистовую обработку t. Оправка получает вращение со скоростью от 251 до 703 м/мин. Заготовка, установленная в патроне станка, получает вращение в попутном направлении со скоростью от 0 до 450 м/мин, тем самым обеспечивая увеличение стойкости резца. Осевая подача находится в диапазоне 0,02...0,16 мм/об; 22,4...256 мм/мин.
Расточной модуль I снимает припуск на чистовую обработку ^ при этом кольцевой постоянный магнит предотвращает попадание стружки в зону деформирования, металлическая щётка дополнительно очищает обработанную поверхность, а фетровая втулка создает лучшие условия для осуществления магнитно-динамической обработки.
Магнитно-динамический модуль II, в свою очередь, благодаря конструкции магнитной системы осуществляет магнитно-динамическую обработку за счет воздействия магнитных сил постоянных цилиндрических магнитов (индукция магнитного поля на торцовой поверхности источников магнитного поля 0,45 Тл) на деформирующие шары, свободно располагающиеся в кольцевой камере и тем самым создающие на обработанной поверхности детали модифицированный поверхностный слой.
Исследование точностных возможностей совмещенной
обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием
Обеспечение заданной чертежом точности является главным требованием при изготовлении ответственных деталей машин. При определении точностных возможностей технологии совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием ис-
пользовался расчетно-статистический метод с учетом достоинств вероятностно-статистического и расчетно-анали-тического методов расчета точности механической обработки.
Для проведения экспериментальных исследований партия заготовок (втулок) составила 80 шт.
Характеристики заготовок:
- размеры (D х d х 1) -120 х 99,6 х 50 мм;
- материал обрабатываемых заготовок - сталь 20 (180.. .200 НВ);
- шероховатость поверхности отверстия - Ra 10,4.11,7 мкм.
Для последующей обработки партию заготовок разделили на две части по 40 шт.
Обе партии заготовок обрабатывались на станке HAAS ST-20Y.
Первая партия заготовок растачивалась инструментом, оснащенным только резцовым модулем, магнитно-динамический модуль инструмента снимался.
Вторая партия заготовок обрабатывалась инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием (оснащенным расточным и магнитно-динамическим модулями).
Режимы обработки двух партий одинаковы:
- суммарная скорость резания -252,4 м/мин (скорость вращения шпинделя - 250 м/мин, скорость вращения привода револьверной головки -502,4 м/мин);
- осевая подача инструмента S = 20 мм/мин;
- глубина резания tрез = 0,2 мм;
- количество рабочих ходов инструмента - 1;
- смазочно-охлаждающая жидкость - масло индустриальное 45.
Измерения полученного диаметрального размера обработанных деталей проводились с использованием индикаторного нутромера с ценой деления 0,001 мм (ГОСТ 9244-75).
Предварительно настройка станка осуществлялась на настроечный размер заготовок (средний размер поля допуска). Партии заготовок последовательно обрабатывалась на станке, затем проводилась группировка с учетом полученных диаметральных размеров, рассчитывались средний размер Хкр каждого соответствующего интервала и частота повторения размеров. Данные результатов эксперимента сведены в табл. 1.
Результаты экспериментов после совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием второй партии заготовок представлены в табл. 2.
Табл. 1. Сводная таблица полученных результатов после обработки первой партии заготовок
Интервал Верхняя граница Xmin Нижняя граница Xmin + C Средний размер интервала Xi ср Количество деталей ni Частота ni/N (ю)
1 100 100,01 100,005 1 0,025
2 100,01 100,02 100,015 2 0,05
3 100,02 100,03 100,025 4 0,1
4 100,03 100,04 100,035 7 0,175
5 100,04 100,05 100,045 11 0,275
6 100,05 100,06 100,055 6 0,15
7 100,06 100,07 100,065 5 0,125
8 100,07 100,08 100,075 3 0,075
9 100,08 100,09 100,085 1 0,025
40 1
Табл. 2. Сводная таблица полученных результатов после обработки второй партии заготовок
Интервал Верхняя граница Хш„ Нижняя граница Хтп+С Средний размер интервала Хi ср Количество деталей п Частота п/Ы (ю)
1 100,016 100,026 100,021 1 0,025
2 100,026 100,036 100,031 3 0,075
3 100,036 100,046 100,041 6 0,15
4 100,046 100,056 100,051 8 0,2
5 100,056 100,066 100,061 11 0,275
6 100,066 100,076 100,071 6 0,15
7 100,076 100,086 100,081 4 0,1
8 100,086 100,096 100,091 1 0,025
9 100,096 100,106 100,101 0 0
40 1
По результатам исследований был повторения ш от плотности распределе-
построен график зависимости частоты ния диаметральных размеров Х (рис. 2).
0,3 0,25 0.2
|
I 0,1В со
0,1 0,05
99,98 100 100,02 100,04 100,06 100,08 100,1 мм 100,12
X
Рис. 2. Зависимость частоты повторения ш от плотности распределения диаметральных
размеров Х: 1 - кривые распределения диаметрального размера после растачивания; 2 - кривые распределения диаметрального размера после совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием; • - теоретические кривые; ♦ - эмпирические кривые
Для проверки адекватности гипотезы о нормальности распределения использовали критерии Пирсона и Колмогорова, которые составили х2набл = 1,27; Хнабл = 0,317. Критерии согласия Пирсона и Колмогорова для обработки второй партии деталей составили х2набл = 0,7; Х набл = 0,17. Так как наблюдаемые критерии х2набл и Х набл меньше критических значений, нет оснований отвергать гипотезу о нормальном распределении.
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что после обработки деталей полученные диаметральные размеры подчиняются закону нормального распределения Гаусса, а также после обработки совмещенным инструментом обрабо-
танные детали находятся в пределах поля допуска. Наблюдается незначительное сужение суммарного поля допуска в пределах 12.15 %.
Изменение исходного размера детали при совмещенной обработке резанием и магнитно-динамическим накатыванием
После проведения экспериментальных исследований был построен график изменения шероховатости после чистового растачивания и совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением источников магнитного поля (рис. 3).
50
мкм
и о
2
1
/
•- —•—
500
1000
1500 п -
2000
мин
1 2500
251 351,7
502,4 м/мин 703,36 V -
Рис. 3. Зависимость изменения исходного размера детали от скорости вращения инструмента:
1 - чистовое растачивание стали 20 (180.200 НВ); 2 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы стали 20 (180.200 НВ)
Согласно графику, изменение исходного размера детали при совмещенной обработке резанием и магнитно-динамическим накатыванием составляет 18.20 мкм относительно графика обработки при чистовом растачивании. На основании построенного графика можно дать рекомендации по выбору припуска на обработку.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования показывают, что после совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием
наблюдается незначительное сужение суммарного поля допуска диаметрального размера в пределах 12.15 %.
Проведенные исследования показывают, что изменение исходного размера детали при совмещенной обработке резанием и магнитно-динамическим накатыванием равняется сумме двух величин: величине удаляемого припуска резцовым модулем и величине припуска под магнитно-динамическое накатывание - 18.20 мкм, что позволяет дать рекомендации технологам при проектировании технологического процесса по расчету припуска на совмещенную обработку.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чистосердов, П. С. Комбинированные инструменты для отделочно-упрочняющей обработки / П. С. Чистосердов. - Минск: Беларусь, 1977. - 124 с.
2. Чистосердов, П. С. Комбинированные инструменты для совмещения процессов резания и поверхностно-пластического деформирования / П. С. Чистосердов. - Москва : НИИмаш, 1975. - 45 с.
3. Алексеев, П. Г. Технология упрочнения деталей машин поверхностной пластической деформацией: учебное пособие / П. Г. Алексеев. - Брянск: Брянский ин-т транспортного машиностроения, 1978. - 80 с.
4. Довгалев, А. М. Классификация инструментов для магнитно-динамического упрочнения / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2008. - № 2. - С. 30-38.
5. Способ магнитно-динамического упрочнения внутренней поверхности круглого отверстия в металлической детали: пат. BY 17976 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа. - Опубл. 28.02.2014.
6. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки: пат. BY 11536 / А. М. Довгалев, Д. М. Рыжанков, Д. М. Свирепа. - Опубл. 28.02.2009.
7. Математическое моделирование магнитно-динамического инструмента для упрочняющей обработки плоских поверхностей / А. М. Довгалев [и др.] // Вест. Белорус.-Рос. ун-та. - 2010. -№ 4. - С. 55-65.
8. Упрочняющий инструмент: пат. BY 15364 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков, С. А. Сухоцкий. - Опубл. 28.02.2012.
9. Довгалев, А. М. Технология магнитно-динамического раскатывания и ее реализация в машиностроении / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2014. - С. 10-15.
10. Высокопроизводительное магнитно-динамическое упрочнение внутренней поверхности цилиндров / Д. М. Свирепа [и др.] // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2015. - С. 51.
11. Довгалев, А. М. Влияние технологических и конструктивных параметров процесса магнитно-динамического раскатывания на шероховатость поверхности / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа // Вестн. Брест. гос. техн. ун-та. - 2014. - № 4. - С. 21-25.
12. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрического отверстия детали: пат. BY 19139 / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа. - Опубл. 30.04.2015.
13. Свирепа, Д. М. Конструкции инструментов для совмещенной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием магнитно-динамическими раскатниками / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова, С. А. Сухоцкий // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 1. - С. 38-47.
14. Свирепа, Д. М. Влияние способов совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием на шероховатость поверхности / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 2. - С. 34-43.
15. Свирепа, Д. М. Совмещенная обработка резанием и магнитно-динамическим накатыванием / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. - С. 48-49.
16. Свирепа, Д. М. Особенности конструирования комбинированного магнитно-динамического раскатника / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Образование, наука и производство в XXI веке: современные тенденции развития: материалы Юбилейной междунар. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2016. - С. 132.
17. Свирепа, Д. М. Конструктивные особенности инструментов для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим раскатыванием / Д. М. Свирепа, А. С. Кручинина // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Бело-рус.-Рос. ун-т, 2020. - С. 62.
18. Свирепа, Д. М. Моделирование взаимодействия деформирующего элемента с деталью в процессе магнитно-динамического раскатывания / Д. М. Свирепа, Ю. С. Романович, А. С. Кручинина // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. -Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2020. - С. 63.
19. Свирепа, Д. М. Технология совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием / Д. М. Свирепа, А. С. Кручинина // Современные проблемы машиностроения: материалы науч.-техн. конф. - Томск: Томский политехн. ун-т, 2020. - С. 136-137.
20. Свирепа, Д. М. 3D-моделирование магнитно-динамических инструментов в образовательном процессе / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Инновационные технологии в инженерной графике: проблемы и перспективы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: Новосибирский гос. архитектурно-строительный ун-т (Сибстрин); Брестский гос. техн. ун-т, 2019. - С. 233-237.
21. Свирепа, Д. М. Применение магнитно-динамических инструментов в производственной и образовательной деятельности / Д. М. Свирепа, С. А. Сухоцкий, А. С. Семёнова // Машиностроение и металлообработка: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2019. - С. 58-59.
Статья сдана в редакцию 5 февраля 2021 года
Дмитрий Михайлович Свирепа, канд. техн. наук, доц. Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].
Анна Сергеевна Кручинина, ассистент, Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].
Dzmitry Mikhailovich Svirepa, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].
Hanna Sergeevna Kruchynina, assistant lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].
