Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Повышение несущей способности рабочих поверхностей деталей

Повышение несущей способности рабочих поверхностей деталей

В процессе контакта деталей машин формируется фактическая площадь контакта Аa, способная воспринимать действующую нагрузку. В первом приближении

Aa/A = α t pα (1)

где А - номинальная площадь контакта; а - коэффициент, учитывающий условия контакта; t pα - относительная опорная длина профиля шероховатой поверхности контактирующих деталей, соответствующая их сближению уp. При этом величина сближения будет существенно зависеть от распределения материала неровностей по высоте, особенно в верхних слоях (до уровня средней линии профиля), которое можно аппроксимировать степенной функцией

tp = tm(yp/Rp)2*t*m*Rp / Ra - 1 (2)

где tm - относительная опорная длина профиля шероховатой поверхности на уровне средней линии (в долях единицы); Rp - высота наибольшего выступа; Ra - среднее арифметическое отклонение неровностей.

Принципиально возможны три вида начального участка опорной кривой (рис. 1). Очевидно, наиболее благоприятным является распределение материала неровностей, соответствующее кривой 3. Если принять tm=0,5 (что характерно для многих методов механической обработки поверхностей), то это означает, что при изготовлении деталей машин нужно выдерживать соотношение Rp/Ra<2

Как показывают исследования, наиболее благоприятное распределение материала неровностей в верхних слоях обеспечивается при отделочноупрочняющей обработке методами поверхностного пластического деформирования [1-5]. В конце 70-х - начале 80-х гг. прошлого века в Брянском государственном техническом университете В.А. Беловым, П.Г. Алексеевым, Э.В. Рыжовым (основателем Брянской научной технологической школы) и его учениками А.Г. Сусловым, В.И. Аверченковым, В.П. Федоровым, О.А. Горленко, В.Б. Ильицким и др. интенсивно проводились исследования по изучению технологических возможностей данных методов обработки, результаты которых получили обобщение в работах [6-9] и других публикациях.

Рис. 1. Три вида аппроксимации начального участка опорной кривой профиля шероховатости поверхности:
1- Rp/Ra>a/tm; 2-Rp/Ra=1/tm; 3-Rp/Ra<1/m

Рис. 2. Шпиндельная пружинная шариковая головка

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) осуществляется на продольнострогательных, продольнофрезерных и шлифовальных станках с помощью роликовых и шарнирных инструментов. На рис. 2 показана шариковая головка упругого деформирования, предназначенная для установки на фрезерных станках [1].

На корпус 2 головки напрессовано кольцо упорного подшипника 7, по которому катятся рабочие шарики 14, расположенные в конусных гнездах сепаратора 15. Последний свободно вращается на подшипнике 13, установленном по скользящей посадке на выступ корпуса. Под действием пружины 10 происходит поджим шариков к беговой дорожке опорного кольца и перемещение подшипника с сепаратором через гайку 4, винт 11 и шайбу 12. Между хвостовиком 7 и корпусом головки расположена тарельчатая пружина 5, рассчитанная на определенное рабочее давление, регулируемое гайкой 6, которая стопорится сухарями и винтами 3. Вращение от хвостовика к головке передается через шпонку 8, прикрепленную винтами 9 к выступу хвостовика.

Такие головки напоминают по своей конструкции торцовую фрезу, у которой вместо ножей установлены шарики, которые во время обработки оставляют на поверхности круговые, взаимно пересекающиеся следы.

Режимы обработки: давление на шар - 200 Н, подача заготовки - 63 мм/мин, число оборотов головки в минуту - 400. При исходной шероховатости поверхности Rаисх=1,6...2,5 мкм достигается шероховатость обкатанной поверхности Ra=0,2...0,8 мкм. В качестве смазки при обкатывании стальных поверхностей применяют обычное машинное масло, чугун обрабатывают без смазки, так как в процессе обработки выдавливается свободный графит, который и выполняет ее роль. Во избежание перенаклепа и "шелушения" поверхности чугунные направляющие обкатывают за один рабочий ход.

Перспективным методом ППД является вибрационное обкатывание (виброобкатывание). Характерной особенностью такой обработки является то, что на главное движение накладываются колебательные перемещения в поперечном направлении, в результате чего рабочий орган инструмента - шарик наносит на обрабатываемую поверхность синусоидальную сетку. На поверхности получается рисунок, вид которого зависит от основных параметров режима обработки: давления шарика р, амплитуды колебаний λ, числа колебаний п, скорости движения заготовки vs (продольная подача), поперечной подачи - Sпоп (скорость обкатки). На рис. 3 представлен один из таких инструментов конструкции В.А. Белова [1].

В щеки неподвижного корпуса 7 запрессованы V-образные направляющие призмы 16, в которых расположены шарики. С этими шариками соединена каретка 2 с V-образными направляющими, в центральное отверстие которой вставлен хвостовик головки 3. В ниж-ней части головки на оси 27 установлен подшипник 26, на который опирается рабочий шарик 25, расположенный в конической резьбовой втулке 24. Шарики 75 расположены в V-образных направляющих 14, запрессованных в щеки коромысла 5. Коромысло установлено на палец кронштейна 77, который в свою очередь насажен на палец 10, запрессованный в отверстие корпуса 7, и укреплен штифтом 77.

Коромысло 5 имеет две степени свободы: оно может качаться на пальце кронштейна 77 относительно горизонтальной оси и поворачиваться вместе с кронштейном относительно вертикальной оси пальца 10. При этом обеспечивается правильная установка каретки 2 по нижним и верхним шарикам 75 и ее свободное горизонтальное перемещение. Каретка имеет одну степень свободы, необходимую для осуществления колебательных движений рабочего шарика 25 по плоской обрабатываемой поверхности. Коромысло 5 и кронштейн 11 закреплены гайками соответственно 13 и 12.

Рис. 3. Устройство для обработки плоских поверхностей виброобкатыванием

Для осуществления вибрирующих движений использован эксцентриковый механизм. В корпусе 7 на подшипниках расположен валик 20 со шкивом 9 и шатуном 8, вращающимся в подшипнике 22, крышка 21 которого крепится к корпусу. Шатун соединен через ось 7 и стойку 6 с кареткой 2. Подшипник 22 с шатуном 8 насажен на валик 20 с эксцентриситетом ε. Валик 20 вращается в подшипниках 18 и 19. При этом каретка 2 с рабочим шариком 25 колеблется в плоскости чертежа с амплитудой, равной 2ε. Рабочий шарик 25 давит на обрабатываемую поверхность под действием тарированной тарельчатой пружины 23, предварительная затяжка которой проводится с помощью гайки 4. Шкив 9 получает вращение от электродвигателя через клиноременную передачу (на рисунке не показана).

Обработка плоских поверхностей виброобкатыванием может производиться на следующих режимах: Р=150 Н; λ=5 мм, n=700 колебаний в минуту, Vs=160 мм/мин, Sном=2,5 мм/ход. Инструмент рассмотренной конструкции можно использовать и при виброобработке цилиндрических поверхностей валов.

Используя закономерности влияния технологической наследственности [7], можно с помощью уравнений (3) и (4) осуществить выбор методов предварительной и окончательной обработки плоских поверхностей из чугуна СЧ20, обеспечивающих требуемое значение Ra и соотношение Rp/Ra:

Ra=m1R(aисх)0,5, (3)

Rp/Ra=(m2R(aисх)-0,25+1)/2tm, (4)

где Raисх - среднее арифметическое отклонение Ra поверхности детали до ППД; m2 и m2 - коэффициенты, учитывающие влияние методов предварительной обработки (табл. 1). Значения tm составляют 0,56...0,72 (при обкатывании шариковой головкой) и 0,56...0,67 (при виброобкатывании), а отношение Rp/Ra - 1,79...2,51 (при обкатывании шариковой головкой) и 1,63...2,07 (при виброобкатывании).

С помощью устройства для вибрационного обкатывания на плоскошлифовальном станке И.Л. Пыриковым была реализована вибра ционная алмазная обработка, схема которой приведена на рис. 4.

Эластичные бруски состоят из стального основания и эластичного подслоя (резина), а в качестве рабочего слоя в них использовались ленты из алмазов типа АСО 100 %-ной концентрации на полужесткой связке. Номинальная площадь рабочей поверхности алмазного бруска составляла 4,9 см2. Частота его осцилляции была постоянной - 1500 двойных ходов в минуту с амплитудой 4 мм. Площадь обработки равнялась 2100 мм2.

1. Значение коэффициента технологической наследственности m при ППД деталей из чугуна СЧ20
Метод упрочняющей обработки Коэффициент Коэффициент наследственности при методе предварительной обработки
М1 М2 М3 М4 М5 М6 М7 М8
Обкатывание шариковой головкой m1
m2
0,38
1,58
0,28
1,45
0,43
1,38
0,50
1.45
0,67
0,95
0,50
1,38
0,43
1,45
0,59
1,10
Виброобкатывание m1
m2
0,43
1,10
0,33
1,01
0,51
0,96
0,6
1,01
0,79
0,66
0,60
0,96
0,51
1,01
0,70
0,77
Условные обозначения: Ml, M2 - шлифование периферией круга из электрокорунда соответственно на керамической, эластичной связке; МЗ - то же, из эльбора на бакелитовой связке; М4, М5 - шлифование торцом круга соответственно из электрокорунда на керамической связке, из эльбора на бакелитовой связке; Мб - торцовое фрезерование фрезами, оснащенными широкими пластинками из сплава ВК6М; М7 - цилиндрическое фрезерование фрезами из стали Р18; М8 - строгание широкими резцами, оснащенными пластинками из сплава ВК6М.

Рис. 4. Схема алмазной вибрационной обработки:
7 - корпус устройства; 2 - эластичный подслой бруска; 3 - алмазная лента; 4 - обрабатываемая заготовка

Эксперименты осуществлялись при обильом охлаждении СОЖ, состоящей из керосина (79 %), веретенного масла (20 %) и олеиновой кислоты (1 %). Перед началом обработки новые алмазные ленты прирабатывались по поверхности отдельной заготовки с исходной шероховатостью Ra = 0,7...0,8 мкм при давлении бруска q = 3 кг/см2 в течение 120 с. Для обработки использовались ленты, имеющие специальные рифления для лучшего подвода СОЖ в зону резания.

Обработка алмазными эластичными брусками по сравнению с другими технологическими методами обеспечивает ряд преимуществ, в том числе высокую интенсивность съема металла благодаря большей режущей поверхности и малую напряженность теплового потока, что способствует устранению прижогов. Кроме того, возникают более благоприятные условия для работы зерен, которые имеют возможность самоустанавливаться и нивелироваться по высоте, причем нагрузка равномерно распределяется между ними. Вследствие постоянной подвижности зерен создаются хорошие условия для размещения и удаления стружки и шлама, что исключает засаливание инструмента.

Для оценки влияния технологических факторов на параметры Ra и отношение Rp/Ra были проведены дробные факторные эксперименты 25-1 и 24-1 соответственно при обработке чугуна СЧ20 и поверхностей, напыленных молибденом [7]. При этом выбраны следующие технологические факторы и интервалы их варьирования:

  1. скорость перемещения заготовки v = 18...10 м/мин;
  2. номинальное давление алмазного бруска на обрабатываемую поверхность q = 0,5...0,1 МПа;
  3. зернистость алмазной ленты, используемой для изготовления бруска k= 125/100...50/40 мкм;
  4. время обработки t = 60...5 с;
  5. исходная шероховатость обрабатываемой поверхности Raисх = 0,67...0,30 мкм.

Чугунные поверхности предварительно шлифовали периферией абразивного круга из электрокорунда на керамической связке. Поверхности, напыленные молибденом, предварительно обрабатывали абразивным кругом из карборунда зеленого на керамической связке (режимы обработки и правки круга обеспечивали исходную шероховатость Raисх поверхностей, равную 0,53 мкм). Технологические факторы при окончательной обработке молибдена приняты такими же, как и при обработке чугуна, лишь фактор t=10...60 с.

Как показывают результаты математико-статистической обработки экспериментов, для технологического управления параметрами шероховатости при вибрационной обработке алмазными эластичными брусками можно использовать уравнения: при обработке чугуна СЧ20

Ra=0,222t-0,285R(aисх)0,438q-0,279k0,452 (4)

при обработке молибдена

Ra=0,17t-0,285q-0,279k0,452 (5)

В обоих случаях

Rp/Ra=2,93±0,79 (6)

Таким образом, поверхностное пластическое деформирование и обработка алмазными эластичными брусками являются эффективными методами технологического повышения несущей способности рабочих поверхностей деталей машин.

Литература

  1. Белов В.А. Технология обработки плоскостей пластическим деформированием. Киев: Техшка. 1972. 70 с.
  2. Алексеев П.Г. Машинам быть долговечными. Тула: Приокское книжное изд-во. 1973. 137 с.
  3. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. 256 с.
  4. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жестко сти соединений. М.: Наука, 1977. 102 с.
  5. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обес печение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
  6. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойко сти деталей машин. Киев: Наук, думка. 1984. 272 с.
  7. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в техноло гических исследованиях. Киев: Наук, думка. 1990. 184 с.
  8. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии маши ностроения. М.: Машиностроение. 2002. 684 с.
  9. Суслов А.Г., Горленко О.А. Экспериментально-статистический метод обеспечения качества поверхности деталей машин. М.: Машиностроение-1, 2003. 303 с.

Справочник. Инженерный журнал. №11, приложение, 2004, с. 18-21
О.А.ГОРЛЕНКО (БГТУ)

Статьи партнеров