Научное обоснование выбора режимов обработки при поверхностном пластическом деформировании

Размещено на http://www.allbest.ru

Научное обоснование выбора режимов обработки при поверхностном пластическом деформировании

О.Н. Федонин, С.В. Степошина

Представлена методика расчета режимов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), базирующаяся на положениях теории контактирования твердых тел. Приведены экспериментально проверенные теоретические зависимости для расчета усилия обкатывания, обеспечивающего отделочную, отделочно-упрочняющую и упрочняющую обработку ППД. Изложены рекомендации для расчета скорости обработки и продольной подачи.

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, ППД, режимы обработки, усилие обкатывания, скорость обработки, продольная подача.

Надежность работы машин связана с качеством поверхностного слоя их деталей, которое включает геометрические и физико-механические характеристики. Формировать требуемое качество поверхности можно с помощью различных окончательных методов обработки, среди которых широко распространены методы ППД.

Методы ППД можно разделить на отделочные, отделочно-упрочняющие и упрочняющие [3]. Отделочная обработка выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности и увеличения ее несущей способности. Отделочно-упрочняющая обработка осуществляется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности, увеличения ее несущей способности и частичного поверхностного упрочнения детали. Упрочняющая обработка выполняется с целью полного переформирования исходной шероховатости, вплоть до формирования регулярного профиля, и упрочнения поверхностного слоя детали.

Для получения требуемого комплекта параметров качества поверхностного слоя необходимо правильно назначить режимы ППД.

Одним из основных параметров режима ППД, с помощью которого можно формировать требуемый вид обработки, является рабочее усилие, оказывающее влияние как на физико-механические, так и на геометрические характеристики качества поверхностного слоя деталей машин. Критерием разделения диапазонов рабочих усилий является соотношение номинального давления в контакте рабочего инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки р_н и предела текучести обрабатываемого материала заготовки _т.

Согласно этому подходу, при ППД рабочее давление лежит в следующих диапазонах[3]:

1) для отделочной обработки

;

2) для отделочно-упрочняющей обработки

;

3) для упрочняющей обработки

.

При давлениях выше критических по условию 3 возможно появление эффекта перенаклепа и соответственно разупрочнения поверхностного слоя детали, поэтому справедливо ввести ограничение 4.

Решив данные неравенства относительно рабочего усилия, получим:

1) для отделочной обработки

;

2) для отделочно-упрочняющей обработки

;

3) для упрочняющей обработки

;

4) для разупрочняющей обработки

,

где - контактные деформации в зоне контакта инструмента и заготовки при скольжении или качении; r_пр - приведенный радиус в контакте инструмента и заготовки; _т - предел текучести обрабатываемого материала заготовки. поверхностный пластический деформирование обкатывание

На формирование геометрических параметров поверхностного слоя большее влияние оказывает продольная подача, поэтому назначать подачу следует, исходя из требуемого значения Rz.

Средняя высота профиля шероховатости в общем случае при всех методах механической обработки определяется равенством [6]

Rz = h₁ + h₂ + h₃ + h₄,

где h₁ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента; h₂ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности (при использовании инструмента упругого действия не учитывается); h₃ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки; h₄ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.

После введения всех составляющих подачу можно определить по зависимости [5]

,

где r - профильный радиус инструмента; Rz- требуемая высота неровностей профиля по десяти точкам; Rz_исх- исходная высота неровностей профиля по десяти точкам; f- коэффициент трения скольжения или качения; - глубина внедрения инструмента в обрабатываемую поверхность при качении или скольжении; - упругое восстановление металла; Rz_инс- высота неровностей профиля по десяти точкам деформирующего элемента.

Для проверки гипотезы о делении обработки ППД на отделочную, отделочно-упрочняющую и упрочняющую и определении границ диапазонов рабочих давлений были проведены эксперименты на примере обработки закаленных (34HRCэ) и улучшенных (25HRCэ) образцов из стали 40Х.

С помощью теоретических зависимостей были рассчитаны диапазоны радиальных усилий, обеспечивающие отделочную, отделочно-упрочняющую и упрочняющую обработку ППД (табл. 1).

После обработки образцов на токарно-винторезном станке 16К20 были измерены параметры качества поверхностного слоя (шероховатость поверхности и глубина упрочненного слоя).

Шероховатость образцов измерялась с помощью АСНИ на базе профилометра-профилографа мод. 170311 и на профилометре Mahr MarSurf PS1.

Для определения глубины и степени упрочнения использовался микротвердомер ПМТ-3М.

В табл. 2 представлены экспериментальные и теоретические данные по обкатыванию одношаровым обкатником улучшенной стали 40Х.

Таблица 1

Результаты расчета диапазонов радиальных усилий

Таблица 2

Экспериментальные и теоретические данные по обкатыванию стали 40Х (25HRCэ)

На основании полученных результатов построены графики изменения шероховатости и глубины упрочнения в зависимости от радиального усилия (рисунок).

Получены следующие выводы:

1. С помощью варьирования значения радиального усилия при ППД можно получить параметры качества поверхностного слоя детали, необходимые для оптимального функционирования изделия.

2. При увеличении значения P (отделочно-упрочняющие и упрочняющие режимы) экспериментальные данные значительно отличаются от теоретических (до 38,5%). Следовательно, необходимо ввести поправочный коэффициент в зависимость для расчета радиального усилия при отделочно-упрочняющей и упрочняющей обработке. Типичной ошибкой, встречающейся в работах по ППД, является то, что предел текучести материала принимается без учета упрочнения материала [5]. В расчетные формулы следует подставлять значения _т , в 2…2,5раза превышающие табличные. Если принять, что предел текучести упрочненного материала возрастает прямо пропорционально коэффициенту упрочнения k, то . Тогда зависимости для расчета диапазонов давлений примут следующий вид:

1) для отделочной обработки

;

2) для отделочно-упрочняющей обработки

;

3) для упрочняющей обработки

;

4) для разупрочняющей обработки

.

Рис. Изменение шероховатости поверхности и глубины упрочнения в зависимости от радиального усилия: О - область отделочной обработки; ОУ - область отделочно-упрочняющей обработки; У - область упрочняющей обработки; РУ - область разупрочняющей обработки; - Ra, мкм; - h, мм

Рабочее усилие лежит в диапазонах:

1) для отделочной обработки

;

2) для отделочно-упрочняющей обработки

;

3) для упрочняющей обработки

;

4) для разупрочняющей обработки

.

Диапазоны значений усилия упрочнения расширяются, и зависимости обеспечивают лучшую сходимость с экспериментом. На рисунке скорректированные (расширенные) диапазоны значений усилия обкатывания отмечены штриховкой.

При упрочняющей обработке рекомендуется не превышать расчетное значение радиального усилия, так как экспериментально подтверждено, что это ведет к ухудшению качества поверхности (увеличению шероховатости и разупрочнению поверхностного слоя) [4].

3. Физико-механические свойства поверхностного слоя детали, обработанной ППД, в основном определяются скоростью обработки.

Во многих источниках указано, что скорость не оказывает влияния на шероховатость поверхности и другие характеристики поверхностного слоя и следует выбирать наибольшее значение скорости для увеличения производительности процесса. В большинстве источников приведены рекомендательные эмпирические диапазоны значений скорости обработки при ППД () [1; 5].

С увеличением скорости обработки наблюдается снижение степени деформации. Это объясняется инерционностью процесса. Скорость распространения волн пластической деформации- величина постоянная для материала, однако время протекания деформирования оказывает влияние на скорость деформирования. При малых скоростях обкатывания воздействие деформирующих элементов на единицу площади обрабатываемой поверхности продолжительнее, поэтому деформация успевает распространиться на большую глубину.

Отмечается важность учета влияния температурных факторов в процессе выглаживания [8]. Наибольшее влияние на температуру в зоне обработки оказывают скорость выглаживания и давление.

По методу Д.Д. Папшева (расчет температур при ППД по методике нормально-эллипсоидного источника тепла) скорость обработки можно определить из условия [7]

,

где - фактическая максимальная температура в очаге деформации; - температура, вызывающая зарождение термопластической деформации.

,

где - предел текучести упрочненного материала; Е- предел упругости материала; - коэффициент линейного расширения.

,

где q- мощность источника тепловыделения; V- скорость обработки; C- коэффициент пропорциональности (для шероховатых поверхностей из железа и стали - 0,6…0,95); - коэффициент теплопроводности материала заготовки; r- радиус деформирующей части инструмента.

Максимальная скорость при обработке определяется по зависимости [7]

.

Таким образом, грамотное назначение параметров режима обработки ППД позволяет изменять качество поверхностного слоя деталей машин, обеспечивая требуемый вид ППД.

Список литературы

1. Алексеев, П. Г. Технология упрочнения деталей машин поверхностной пластической деформацией / П.Г. Алексеев.- Тула: Тул. политехн. ин-т, 1978.- 90с.

2. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник / Л.Г. Одинцов.- М.: Машиностроение, 1987.- 328с.

3. Суслов, А.Г. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / А.Г.Суслов, Р.В. Гуров, Е.С. Тишевских // Упрочняющие технологии и покрытия.- 2008.- С.20-22.

4. Степошина, С.В. Расчет рабочего усилия при обработке поверхностным пластическим деформированием / С.В. Степошина // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: материалы Х Междунар. межвуз. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов.- Гомель, 2010.-С. 14-17.

5. Смелянский, В. М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / В.М. Смелянский.- М.: Машиностроение, 2002.- 300с.

6. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов.-М.: Машиностроение, 2000.-320с.

7. Папшев, Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием / Д.Д.Папшев.-М.:Машиностроение,1978.-152с.

8. Яценко, В.К. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / В.К. Яценко, Г.З. Зайцев, В.Ф. Притченко, Л.И. Ивщенко.- М.: Машиностроение, 1985.- 232с.

Размещено на Allbest.ru