1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Среди многообразия современных методов финишной обработки ответственных деталей машин можно выделить особую группу финишной обработки методами поверхностного пластического деформирования (ППД), использование которых во многих случаях позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства обработанных деталей без увеличения их массы, а также во многих случаях исключить дорогостоящую термическую обработку [1-15]. Важную роль в повышенном внимании к этим методам обработки играют их широкие технологические возможности, простота используемого оборудования, сравнительно низкая стоимость.
Метод обработки ППД осциллирующим эксцентриковым инструментом занимает особое место среди подобных технологий, позволяющих локализовать обработку, а не выполнять её во всем объеме детали. Он позволяет выполнять высокоэффективную обработку как простых по форме поверхностей, типа плоскостей и тел вращения, так и более сложных фасонных поверхностей, поверхностей крупногабаритных деталей в местах, являющихся концентраторами напряжений, сварных швов и др. [1,2,5-8] На рис. 1 представлена кинематическая схема эксцентрикового упрочнителя, состоящего из вибрирующей корпуса 1, подвешенного на плоских пружинах 2. Колебания вибрирующего корпуса 1, действующие нормально к обрабатываемой поверхности возбуждаются вращением эксцентриковой массы (дебаланса) 3 вокруг вертикальной оси.
Эксцентриковая масса 3 с закрепленной на ней инструментальной головкой получает вращательное движение от электродвигателя. При этом гибкий вал 6 позволяет осуществлять свободное перемещение инструментальной головки 4 в радиальном направлении. На инструментальной головке 4 установлен индентор (обычно шарик или ролик), который осуществляет ударное взаимодействие с поверхностью обрабатываемой детали 7. При этом поверхность детали является своеобразным ограничителем перемещения индентора, а характер их взаимодействия зависит от их предварительного сближения в радиальном направлении. Влияние этого смещения в дальнейшем рассматривается в виде изменений коэффициента полезного действия технологической системы.
1 – корпус; 2 – плоская пружина; 3 – эксцентриковая масса; 4 – инструментальная головка;
5 – электродвигатель; 6 – гибкий вал; 7 – ограничитель (обрабатываемая деталь)
Рисунок 1 – Схема эксцентрикового упрочнителя
По сравнению с объемной обработкой ППД, местное упрочнение значительно снижает затраты на обработку, так как позволяет избежать применения крупногабаритного дорогостоящего оборудования, рабочих сред, не требует применения смазывающе-охлаждающих технологических жидкостей [5-8,13-14].
2 Материалы и методы
Для промышленного использования осциллирующего эксцентрикового упрочнителя необходимо провести исследования влияния конструктивных и технологических параметров процесса на параметры качества поверхностного слоя. Это позволит проектировать рациональные технологические процессы поверхностного упрочнения ответственных деталей машин.
Анализ работ ведущих ученых в области ППД [1-13] показывает необходимость определения таких параметров поверхностного слоя, как шероховатость обработанной поверхности, степень деформации, глубина упрочненного слоя, которые оказывают существенное влияние на длительность жизненного цикла обработанных деталей. Указанные параметры определяются частотой и энергией ударных взаимодействий одного или нескольких инденторов с обрабатываемой поверхностью. Существенное влияние на повышение эксплуатационных свойств обработанных деталей оказывают также физико-механические свойства обрабатываемых деталей (твердость и микротвердость, предел текучести, коэффициент несущей способности контактной поверхности, относительное сужение и т.п.).
Анализ механизма воздействия колебательной системы устройства на обрабатываемую деталь вызывает необходимость учета таких технологических параметров процесса обработки, как скорость вращения, размеры и масса эксцентрика; число инденторов на инструментальной головке; форма и размеры инденторов (радиус сферической заточки при использовании шарика и радиус скругления при использовании ролика); размер и жесткость плоских пружин; коэффициент полезного действия устройства, который зависит от величины сближения индентора с поверхностью детали.
Произведён теоретический анализ динамики эксцентрикового устройства и процессов, происходящих при обработке осциллирующим инструментом. Получены зависимости для определения скорости удара индентора VX и кинетической энергии инструментальной головки с индентором T при ударном взаимодействии [1, 2, 5-8].
, (1),
, (2),
где mcam – масса инструментальной головки; r – расстояние от оси вращения эксцентрика до его центра тяжести; ω – угловая скорость; с – жёсткость пружины, mc – масса вибрирующей системы; μ – сопротивление среды.
Механизм процесса обработки динамическими методами ППД достаточно подробно представлен в работах профессора И.В. Кудрявцева [5, 15]. Учитывая произведенный им анализ для метода обработки эксцентриковым упрочниелем можно предложить следующую зависимость для определения диаметра пластического отпечатка индентора:
, (3).
При этом глубина (h) пластического отпечатка может быть определена как
, (4),
где Т – кинетическая энергия инструментальной головки (индентора), HD – динамическая твердость материала детали (отношение энергии удара сферического индентора к объему вытесненного материала при ударе). Динамическую твердость можно определить из соотношения HD = 6,1 HB1,12, где HB – твердость материала по Бринеллю. Di – диаметр индентора, h- коэффициент полезного действия устройства (зависит от натяга), М – число инденторов.
Как при большинстве динамических методов обработки ППД, высотные параметры шероховатости обработанной поверхности изменяются по экспоненциальной зависимости от времени обработки Ra (t). Параметры установившейся шероховатости зависят от размеров единичных отпечатков инденторов и их количества на единице площади обработки, т.е. полностью определяются режимами обработки ППД и не зависят от исходной шероховатости. Следует отметить, что исходная шероховатость оказывает существенное влияние на время достижения установившейся шероховатости. С использованием методики Королева А. В. [1] и учитывая вышеуказанные особенности процесса можно записать зависимость для определения установившейся шероховатости поверхности при обработке эксцентриковым упрочнителем в следующем виде [1, 3, 4, 9-12]:
(5)
На основании вышеизложенного разработаны теоретические зависимости для определения глубины упрочненного слоя и степени деформации при обработке эксцентриковым упрочнителем [1, 3, 4, 9-12]:
(6)
(7).
Для проектирования рациональных технологических процессов осциллирующим инструментом необходимо разработать методику расчета времени обработки деталей. В процессе обработки поверхностный слой детали должен быть покрыт перекрывающимися отпечатками индентора определенное число раз. Согласно рекомендациям профессора Кудрявцева И.В. [15], каждый микрообъем поверхностного слоя должен быть пластически деформирован определенное число раз. Это число зависит от физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей и, как правило, находится в пределах 10-20 ударов, деформирующих локальный микрообъем обрабатываемой поверхности.
Время обработки плоской и близкой к ней поверхности детали можно определить по зависимости [1]:
(8),
где А – длина участка, В – ширина участка, 
- продольная подача, 
- поперечная подача.
Время обработки цилиндрической поверхности можно определить по формуле:
(9),
где 
– длина обрабатываемого участка детали, 
– осевая минутная подача.
3 Результаты исследований
Для проверки адекватности предложенных теоретических моделей по определению шероховатости поверхности, глубины упрочненного слоя и степени деформации проведен комплекс исследований влияния основных технологических факторов на показатели качества поверхностного слоя.
Сравнение результатов, полученных при теоретических расчетах с результатами экспериментальных исследований приведены на рис. 2-7. Сплошными линиями представлены результаты теоретических расчетов. Точками показаны результаты данные экспериментов. Приведены графики экспериментов для одного шарикового индентора. Построены доверительные интервалы с доверительной вероятностью 95 %.
1 – материал образца ХВГ, 2 – материал образца сталь 45
Рисунок 2 – Зависимость шероховатости поверхности от коэффициента
полезного действия устройства
1 – материал образца Д16, 2 – материал образца АВТ, 3 – материал образца АЛ1
Рисунок 3 – Зависимость шероховатости поверхности от диаметра индентора
|
1 – материал образца сталь 30ХГСА, 2 – материал образца сталь 30.
Рисунок 4 – Зависимость глубины упрочненного слоя от диаметра индентора
1 – материал образца АЛ1, 2 – материал образца АВТ, 3 – материал образца Д16
Рисунок 5 – Зависимость глубины упрочненного слоя от диаметра индентора
1 – материал образца ХВГ, 2 – материал образца сталь 45
Рисунок 6 – Зависимость степени деформации от диаметра индентора
Рисунок 7 – Зависимость степени деформации от твердости детали по Бринеллю.
|
Разность величины параметров, рассчитанных по теоретическим зависимостям и полученных в результате экспериментальных исследований не превышает 15-20 %. [1,3,4,9-12]. На основании результатов комплексных исследований можно сделать вывод об адекватности предложенных зависимостей.
4 Обсуждение и заключение
Технологические возможности методов обработки осциллирующим эксцентриковым упрочнителем позволяют охарактеризовать его как высокоэффективный метод общего и местного упрочнения ответственных деталей машин. Разработанная теоретическая модель динамики этого метода обработки позволяет рассчитывать энергию удара индентора, оказывающую наибольшее влияние на результат обработки.
Полученные теоретические зависимости, подтверждённые результатами экспериментов, могут быть использованы для инженерных расчетов технологических процессов высокоэффективной обработки ППД деталей машин, имеющих фасонную поверхность с небольшими перепадами высот. Согласно общепринятой теории оптимизации при расчете и выборе вариантов сочетаний технологических параметров в качестве критерия оптимизации принимается себестоимость либо производительность обработки, а в качестве ограничительных функций – обеспечиваемая шероховатость поверхности и параметры упрочнения (глубина упрочненного слоя и степень деформации).
Таким образом, рассматриваемый в данной статье новый метод обработки деталей осциллирующим эксцентриковым упрочнителем может быть успешно применен в промышленных условиях.
