Одноступенчатое технологическое обеспечение износостойкости цилиндрических поверхностей деталей машин при механической обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9

Технология, инструменты и оборудование машиностроительных производств

ОДНОСТУПЕНЧАТОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Д.М. Медведев

Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований по решению задачи одноступенчатого технологического обеспечения износостойкости цилиндрических поверхностей деталей машин при механической обработке на стадии конструкторско-технологической подготовки производства.

Ключевые слова: износостойкость, одноступенчатое технологическое обеспечение, механическая обработка, точение, шлифование, цилиндрические поверхности, детали машин.

В настоящее время установлено, что около 80% машин выходят из строя вследствие износа трущихся деталей. Возможность прогнозировать значение данного эксплуатационного свойства на стадии проектирования позволит повысить надежность выпускаемых машин и снизить себестоимость их изготовления.

Общепринятое двухступенчатое рассмотрение задачи конструкторско-технологического обеспечения износостойкости связано с тем, что в нашей стране стадия проектирования новых изделий разделена на два этапа: конструкторский и технологический.

Конструктор выбирает материал, размеры и их точность, сочетание параметров качества поверхности детали, обеспечивающие требуемую интенсивность изнашивания. Он указывает выбранные параметры на чертежах деталей изделия.

Технолог назначает метод и условия обработки, позволяющие обеспечить выбранные конструктором точность размеров и сочетание параметров качества поверхности детали с наименьшей технологической себестоимостью.

Существующая схема обеспечения износостойкости имеет следующие недостатки [5-7; 12; 13]:

• обычно конструктор ограничивается выбором параметров Ra, Sm, t_p, не учитывая влияния на интенсивность изнашивания нестандартизованных параметров качества (Wz, U_н, h_н, у_ост и др.), которые существенно зависят от метода обработки;

• конструктору сложно выбрать оптимальное по минимуму технологической себестоимости сочетание параметров качества поверхности детали, так как десятки различных сочетаний обеспечивают одинаковую интенсивность изнашивания;

• выбранное конструктором сочетание параметров качества поверхности иногда затруднительно обеспечить технологически, из-за чего возникает необходимость вносить изменения в конструкцию или технологию изготовления детали.

Данные недостатки в итоге сказываются на себестоимости проектируемого изделия. Устранить их возможно, перейдя к одноступенчатой схеме обеспечения износостойкости, которая основывается на объединении задач конструктора и технолога и определении оптимальных по себестоимости условий обработки еще на стадии конструирования машин [5; 14].

Одноступенчатое решение задачи технологического обеспечения износостойкости деталей машин и его автоматизация позволит:

• выбирать оптимальные условия изготовления по критериям качества и себестоимости;

• сократить время, затрачиваемое на проектирование новых машин;

• снизить количество ошибок проектирования и повысить его надежность;

• находить непосредственные технологические пути повышения износостойкости деталей;

• разработать научный подход к выбору условий и методов обработки.

В настоящее время реализация этой задачи сдерживается из-за отсутствия банка зависимостей интенсивности изнашивания от условий обработки поверхностей трения деталей машин. Рассматриваемую задачу можно решить путем создания как экспериментальных, так и теоретических моделей.

При теоретическом моделировании математическая модель составляется исходя из известных физических законов, которые предполагаются лежащими в основе рассматриваемых процессов. Подобные модели более универсальны, обеспечивают лучшее понимание и прогнозирование процессов. Попытки теоретически описать взаимосвязь износостойкости деталей машин с условиями механической обработки предпринимаются в двух направлениях:

1. Методом подстановки теоретических зависимостей для расчета параметров качества поверхности детали и условий ее обработки в уравнение для определения интенсивности изнашивания [2; 13]. Главный недостаток этого метода: получаемые зависимости слишком громоздки и не отражают физику рассматриваемых процессов.

2. Методом моделирования физической аналогии на основе единства процессов силового, температурного и химического воздействия на деталь, как при ее изготовлении, так и при эксплуатации [1; 11; 12]. Его основные преимущества заключаются в возможности:

• теоретического исследования физической природы взаимосвязи процессов механической обработки и трения;

• получения наглядных и компактных расчетных зависимостей.

Профессор А.Г. Суслов отмечает, что процесс эксплуатации детали можно рассматривать как продолжение технологии ее обработки [5; 12]. Поэтому для повышения долговечности пар трения необходимо максимально уменьшить их приработку при эксплуатации. Этого добиваются финишной обработкой, моделирующей ускоренный процесс приработки, который представляет собой микрорезание и пластические деформации микронеровностей поверхности.

Анализ физической сущности процессов трения и окончательной механической обработки показывает, что рассматриваемые процессы тесно связаны между собой по многим параметрам [3; 4; 12; 14]:

• качество поверхности, сформировавшееся после окончательной механической обработки, определяет интенсивность изнашивания в процессе приработки;

• процессы удаления слоя материала с поверхности заготовки при механической обработке и образования частиц износа при трении сопровождаются молекулярным взаимодействием, пластическими, упругими деформациями, а также микрорезанием;

• для обоих процессов сопоставимы режимные условия по силовым, температурным и кинематическим параметрам;

• сопоставимы геометрические параметры удаляемого с поверхности заготовки слоя материала при окончательной механической обработке и изношенного слоя материала при трении.

Численным показателем, отражающим физические параметры протекающих при окончательной механической обработке и трении процессов, может служить удельная энергоемкость, или энергия W, затрачиваемая на удаление единицы объема ДV материала:

.

Данный показатель имеет аналог в теории резания [3; 8], где он называется удельной работой резания, и в энергетической теории трения и изнашивания [9] как мнимая плотность энергии изнашивания материала. Существующая зависимость удельной энергоемкости от толщины A удаляемого слоя материала указывает на возможность количественного описания взаимосвязи физических параметров рассматриваемых процессов (рис. 1).

Различия в характере разрушения материала при окончательной механической обработке и трении обусловливают численное значение удельной энергоемкости. При точении удаление объема материала происходит вследствие однократного контактирования резца с обрабатываемой заготовкой, при шлифовании - за счет многократного контактирования зерен абразивного круга и обрабатываемой заготовки. При трении количество циклов взаимодействия микронеровностей, приводящего к образованию и удалению частиц износа материала, еще больше.

В связи с этим при лезвийной обработке значение показателя удельной энергоемкости - наименьшее. Удельная энергоемкость процесса окончательной абразивной обработки существенно больше. Кроме того, она увеличивается по мере уменьшения толщины удаляемого слоя материала и перехода к доводочным операциям шлифования, которые по уровню сил, температур и напряжений наиболее близки к процессу внешнего трения.

Существующую взаимосвязь между удельными энергоемкостями процессов окончательной механической обработки и трения возможно описать при помощи однофакторной статистической модели

,

где b₀ и b₁ - неизвестные коэффициенты.

После подстановки в нее расчетных формул для определения удельной энергоемкости точения, шлифования и трения (рис. 1) была получена теоретическая зависимость интенсивности изнашивания от условий окончательного продольного точения:

,

где f - коэффициент трения; N - нормальная нагрузка на трущуюся поверхность; n - частота вращения шпинделя; v - скорость резания; b_ин - ширина износного индентора; s - продольная подача; t - глубина резания; P_x и P_z - соответственно осевая и тангенциальная составляющие силы резания.

Также получена теоретическая зависимость интенсивности изнашивания от условий окончательного врезного шлифования:

,

где d₀ - диаметр обрабатываемой заготовки; s_р - радиальная подача; b_з - ширина шлифуемой поверхности; v_з - скорость вращения заготовки; v_кр - скорость вращения шлифовального круга.

Для проведения экспериментальных исследований использовались два наиболее распространенных материала, которые применяются для изготовления ответственных деталей трения: закаленная сталь 40Х (40…45 HRC_э) и цементованная сталь 12ХН3А (58…63 HRC_э).

Сначала проводились эксперименты на образцах из стали 40Х после объемной закалки с использованием классического метода планирования, при котором варьировалось значение удельной энергоемкости резания путем изменения режимов окончательного точения образцов. Затем обработанные поверхности образцов проходили износные испытания на АСНИ для триботехнических испытаний на базе машины трения МИ-1М, созданной на кафедре "Триботехнология" УНТИ БГТУ [10].

В качестве индентора использовался неподвижный твердосплавный ролик, представляющий собой круглую сменную неперетачиваемую пластину из сплава ВК8, применяемую для металлорежущего инструмента. Индентор является абсолютно жестким, гладким и неизнашиваемым за один цикл испытаний. Испытания проводились в условиях граничного смазывания. В качестве смазочного материала использовалось индустриальное масло И-Г-А-32. Схема испытаний приведена на рис. 2.

По результатам испытаний рассчитывалась удельная энергоемкость трения. Статистическая обработка результатов экспериментов позволила рассчитать значения неизвестных коэффициентов для теоретических зависимостей. В результате получена зависимость интенсивности изнашивания от условий окончательного точения:

.

Таким же образом проводились эксперименты по окончательному шлифованию стали 40Х после объемной закалки. Варьировалось значение удельной энергоемкости резания путем изменения режимов окончательного врезного шлифования образцов. В результате получена зависимость интенсивности изнашивания от условий окончательного врезного шлифования:

.

Для проверки полученной теоретической зависимости были проведены экспериментальные исследования на образцах из стали 12ХН3А. Использовался метод планирования экстремальных экспериментов. Это вдобавок позволило получить регрессионное уравнение для расчета интенсивности изнашивания после окончательного врезного шлифования стали 12ХН3А:

износостойкость трение шлифование механический

.

Диапазоны варьирования условий обработки для этой зависимости: зернистость шлифовального круга I = 25…40; v_з = 20…40 м/мин; s_р = 0,001…0,005 мм/об.

Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице. Определялись относительные погрешности расчета по теоретической и эмпирической моделям. Полученная теоретическая зависимость дает погрешность около 30%, что допустимо для ее практического использования. Регрессионное уравнение обладает большей точностью, но применимо лишь для указанного диапазона условий.

Таблица

Экспериментальная проверка теоретической зависимости

Результаты экспериментальной проверки позволяют считать использование разработанного теоретического подхода к описанию взаимосвязи между износостойкостью и условиями механической обработки достаточно обоснованным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Албагачиев, А.Ю. Моделирование режимов обработки и эксплуатации деталей / А.Ю. Албагачиев, В.Е. Антонович // Гидродинамическая теория смазки - 120 лет: тр. Междунар. науч. симп.: в 2 т. - М.: Машиностроение-1; Орел: ОрелГТУ, 2006. - Т. 2. - С. 217-223.

2. Безъязычный, В.Ф. Проблемы совершенствования технологических процессов механической обработки деталей высокоточных узлов и изделий / В.Ф. Безъязычный // Приложение №7. Справочник. Инженерный журнал. - 2003. - №7. - С. 2-10.

3. Бобров, В.В. Основы теории резания металлов / В. В. Бобров. - М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

4. Грановский, Г.И. Резание металлов / Г.И. Грановский, В.Г. Грановский. - М.: Высш. шк., 1985. - 304 с.

5. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов [и др.] ; под ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2009. - 320 с.

6. Кондаков, А.И. Использование альтернативных технологических решений при обеспечении эксплуатационного качества наукоемких изделий / А.И. Кондаков, А.В. Харитонов // Вестн. РГАТА им. П.А. Соловьева: сб. науч. тр. - Рыбинск, 2007. - №1. - С. 22-25.

7. Овсеенко, А.Н. Технологические проблемы обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин / А.Н. Овсеенко // Приложение №9. Справочник. Инженерный журнал. - 2002. - №9. - С. 10-12.

8. Подураев, В.Н. Технология физико-химических методов обработки / В.Н. Подураев. - М.: Машиностроение, 1985. - 264 с.

9. Польцер, Г. Основы трения и изнашивания: [пер. с нем.] / Г. Польцер, Ф. Майсснер. - М.: Машиностроение, 1984. - 263 с.

10. Прудников, М.И. Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения / М.И. Прудников // Вестн. БГТУ. - 2008. - №2. - С. 48-56.

11. Султан-Заде, Н.М. Влияние энергии, поглощенной при обработке, на износостойкость / Н.М. Султан-Заде [и др.] // Качество машин: сб. тр. 4-й Междунар. науч.-техн. конф., 10-11 мая 2001 г. - Брянск: БГТУ, 2001. - Т. 2. - С. 187-189.

12. Суслов, А. Г. Научные основы технологии машиностроения / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.

13. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2006. - 448 с.

14. Ящерицын, П.И. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: учеб. для вузов / П.И. Ящерицын, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельдштейн. - Минск: Вышэйн. шк., 1990. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru