автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества деталей при деформирующем протягивании на основе применения металлоплакирующих смазок

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МГТУ - МАМИ)

На правах рукописи

Буйлов Евгений Андреевич

УДК. 621.

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ПРИ ДЕФОРМИРУЮЩЕМ ПРОТЯГИВАНИИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИХ СМАЗОК

Специальность 05.02.08.-«Технология машиностроения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор А.М.Кузнецов.

Научные консультанты:

кандидат технических наук, доцент А.С. Лобанов; кандидат технических наук,

доцент Э.А. Томило.

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................................................................................4

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ..............................................................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ ..............................................................................................................................7

1.1 .Анализ работ и опыта промышленности по обработке отверстий

деталей машин методом деформирующего протягивания....................7

1.2.Точность обработки и качество поверхностного слоя отверстий деталей машин обработанных методом деформирующего протягивания..........................................................................................................................................................17

1.2.1 .Точность формы и размера отверстия ....................................................................17

1.2.2.Шероховатость поверхности отверстия и износ........................................20

1.2.3.Упрочнение поверхностного слоя, микроструктура и износ . 23

1,2.4,Остаточные напряжения и деформащЕи.., ,..........................................27

1.3.Анализ изнашивания и избирательного пёрёноса при деформирующем протягивании......................................................................................29

1.3.1 .Анализ изнашивания и избирательного переноса при трении 29

1.3.2.Деформирующее протягивание в условиях граничного трения 35

1. 1.3.3. Деформирующее протягивание в условиях избирательного

переноса................................................................................................................................................................................35

1 АТриботехнические свойства металлоплакирующих смазок на

основе ЦИАТИМ-201, легированных медными композитами............38

1.5.Выводы, цели и задачи исследования......................................................................................40

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОТВЕРСТИЯ ДЕТАЛИ ПРИ ДЕФОРМИРУЮЩЕМ ПРОТЯГИВАНИИ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИХ СМАЗОК......................... 42

2.1.Физическая модель деформирующего протягивания в условиях применения металлоплакирующих смазок .............................. 42

2.1.1. Взаимодействие поверхности трения и металлоплакирую-щей смазки........................................................................ 42

2.1.2. Контактные явления................................................................ 43

2.2.Выбор и обоснование основных управляющих параметров процесса........................................................................ 48

2.3. Площадь контакта............................................................ 56

2.4. Поля напряжений........................................................................................................................59

2.5. Остаточные деформации......................................................................................................65

2.6.Вывод ы..................................................................................................................................................68

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ....................................................................................................................................69

3.1.Объект исследования ..........................................................................................................................................69

3.2.Инструмент, применяемый в эксперименте ..............................................................72

3.3.Оборудование и приспособления для проведения

эксперимента ....................................................................................................................................................................74

3.4.Приборы и средства измерения ....................................................................................................78

3.5.Смазки применяемые для эксперимента ......................................................................80

3.6.Методика проведения экспериментов ..................................................................................81

3.6.1.Общий порядок проведения экспериментов ..............................................81

3.6.2.Методика проведения исследования сил притягивания .... 83

3.6.3.Методика проведения исследования шероховатости поверхности обработанного отверстия ................................................................83

3.6.4.Методка проведения исследования точности формы и размера обработанного отверстия ..............................................................................84

3.6.5.Методика проведения исследования физико-механических свойств поверхностного упрочненного слоя обработанного отверстия ......................................................................................................................................................85

3.7.Методика проведения исследований износостойкости обработанной поверхности отверстия детали ........................................................86

3.7.1.Метод испытания и оборудование ..............................................................................86

3.7.2.Объект исследования ............................................................................................................................88

3.7.3.Режимы испытания ..................................................................................................................................89

3.7.4.Измерение величины износа ..................................................................................................89

3.7.5.Длительность испытаний ..............................................................................................................90

3.7.6.Порядок проведения испытаний ......................................................................................91

3.8.0бработка результатов экспериментов ............................................................................92

3.9.Выводы..................................................................................................................................................93

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ ОБРАБОТАННОЙ МЕТОДОМ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО ПРОТЯГИВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИХ СМАЗОК .................................. 94

4.1.Исследование влияния основных управляющих параметров и смазки на усилие протягивания .................................................. 94

4.2.Погрешности геометрии отверстия детали ................................ 111

4.2.1. Исправление погрешности формы поперечных сечений

детали после предварительной обработки.......................... 111

4.2.2. Остаточные деформации и погрешности отверстий после деформирующего протягивания...................................... 122

4.3.Исследование влияния основных управляющих параметров и смазки на шероховатость поверхности отверстия детали ...... 138

4.4.Исследование влияния основных управляющих параметров и смазки на формирование физико-механических свойств поверхностного слоя отверстия детали ....................................... 154

4.5.Исследование влияния применяемой технологической смазки на износостойкость поверхности, обработанной методом деформирующего протягивания .................................................. 180

4.6.Вывод ы........................................................................ 183

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ......... 186

5.1.Рекомендации по применению метода деформирующего протягивания в среде металлоплакирующих смазок................................................186

5.2 .Перспективы развития метода........................................................................................188

5.3. Технико-экономическая оценка метода..................................................................189

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ................................................................................. 190

ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................... 193

ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................... 201

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении одной из главных задач повышения долговечности, работоспособности и надежности машин является повышение износостойкости деталей машин через улучшение качества трущихся поверхностей.

Исследования и практика эксплуатации машин показывают, что наибольшим воздействием в процессе эксплуатации подвергаются поверхностные слои металла, которые противостоят изнашиванию, коррозии, тепловому воздействию и т. д. Поэтому повышение точности формы, размера и качества поверхностного слоя деталей машин различными технологическими методами, предусматривающими значительное увеличение прочности и износостойкости рабочей поверхности деталей» становится одной из главных задач и направлений исследований.

Одним из таких методов является метод деформирующего протягивания, обеспечивающий путем холодного пластического деформирования металла не только упрочнение поверхностного слоя, но и значительное повышение точности обработки, и снижение параметров шероховатости поверхности.

В ряде случаев точность и прочность деталей могут быть увеличены в 2—10 раз, а износостойкость в 1,5-5 раз. При этом значительно возрастает производительность труда, достигается экономия металла, упрощается процесс обработки, создаются условия для его механизации и автоматизации.

Существенный вклад в разработку теоретических основ, совершенствование технологических процессов, оснастки, инструмента внесли исследования, выполненные Ю.Г. Проскуряковым, В.П.Монченко, А.М.Розенбергом и О.А.Розенбергом, А.М.Кузнецовым и В.А.Кузнецовым, А.З.Мариным, И.В.Симоновым, А.А.Крючковым, Т.И.Ковбас, А.С.Лобановым, В.Н.Черкесовым и другими авторами.

Однако, хотя этот метод и все предыдущие исследования и дали возможность промышленности, изменив технологии, повысить износостойкость и качество поверхности деталей, он все-таки полностью не решил всех проблем и еще не использованы все резервы повышения качества и износостойкости деталей.

Это обусловливается тем, что при обработке отверстий в заготовках, особенно из вязких и труднообрабатываемых металлов и сплавов, возникающие в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью большие удельные давления и сдвиговые деформации приводят к схватыванию металлов, резкому увеличению усилия протягивания, ускоренному наростообразованию и снижению стойкости инструмента, образованию и развитию в поверхностных слоях металла трещин, надрывов

и других дефектов, которые вызывают резкое ухудшение качества, точности и износостойкости поверхности трения деталей.

Установлено, что одна из основных причин возникновения подобных отрицательных явлений, которые проявляются в наибольшей степени при деформирующем протягивании, заключается в несовершенстве применяемых технологических смазок.

Проблема может быть решена путем применения нейтрально-адгезионных прослоек в виде специально подобранных металлоплакирующих смазок между деформирующим инструментом и поверхностью обрабатываемой детали. В результате применения таких смазок и оптимально подобранных режимов деформирующего протягивания возникает эффект «избирательного переноса». Кроме того,решая технологические проблемы повышения качества поверхности при обработке мы закладываем и дополнительное эксплуатационное снижение износостойкости (кроме того что получаем от деформирующего протягивания) за счет образования на обработанной поверхности полимерной металлоплакирующей пленки.

Исследованиями в области механизма избирательного переноса занимались такие авторы как И.В.Крагельский, Д.Н.Гаркунов, Н.М.Михин В.Н.Литвинов, В.Н.Черкесов и другие. Они показали также, что при наличии такой пленки время приработки и величина износа в эксплуатации снижаются.

Целесообразность и возможность его использования при деформирующем протягивании отверстий деталей машин до настоящего времени полностью не изучена. Этим объясняется отсутствие научных и практических данных и рекомендаций по этому методу.

Поэтому в основу настоящей работы положено экспериментально-теоретическое исследование процесса деформирующего протягивания отверстий в условиях применения металлоплакирующих смазок (М.П.С.).

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Московского Государственного Технического Университета (МАМИ). Экспериментальная часть работы проводилась в лабораториях института, а также на ряде предприятий.

Основные применяемые обозначения

do - исходный диаметр отверстия заготовки;

di - диаметр отверстия после деформирующего протягивания;

Ad - остаточная деформация отверстия;

Dh - наружный диаметр заготовки перед обработкой;

Di - наружный диаметр заготовки после обработки;

AD - остаточная деформация по наружному диаметру;

to - исходная толщина стенки заготовки;

L - длина обрабатываемой заготовки;

m=D/d - относительная толщина стенки;

Rao, Rzo- исходная шероховатость поверхности отверстия;

Rai,tpi - параметры шероховатости поверхности обработанного отверстия;

Л ов- отклонение профиля овальности отверстия после обработки;

Ап.с - отклонение профиля продольного сечения отверстия после обработки;

от - предел текучести материала заготовки;

НВ - твердость материала по Бринелю;

HV - твердость материала по Виккерсу;

Hjj. - микротвердость;

h|a - глубина упрочненного слоя;

Е - модуль упругости;

ав - предел прочности

ат - предел текучести;

т - касательное напряжение;

Gr,Gt,az - главные нормальные радиальное, тангенциальное, и осевое напряжения;

sr,st,£z - главные относительные радиальная, тангенциальная, и осевая

деформации; qk - контактное давление; п - количество деформирующих элементов; а - натяг деформирующего протягивания;

- суммарный натяг; ап - натяг на деформирующий элемент; d - диаметр деформирующего элемента по ленточке; а - угол рабочего конуса деформирующего элемента; ho - толщина медной пленки; V - скорость деформирующего протягивания; Q - усилие протягивания; F - сила трения; f - коэффициент трения; S - площадь контакта; jj, - коэффициент Пуассона;

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.Анализ работ и опыта промышленности по обработке отверстий заготовок деталей машин методом деформирующего протягивания

Обработка отверстий деталей методом деформирующего протягивания получила в последнее время большое распространение. На многих промышленных предприятиях этот метод получил широкое развитие,так технологии обработки резанием переводились на метод деформирующего протягивания.

В процессе деформирующего протягивания могут осуществляться как малые (поверхностные), так и большие (сквозные) пластические деформации, при которых диаметр отверстия увеличивается на 10-20%. В последнем случае пластические деформации распространяются на всю толщину стенки детали и изменяют, наряду с диаметром отверстия длину детали и ее наружный диаметр.

Основными достоинствами этого метода являются:

- высокая стабильность процесса, вследствии чего устойчиво достигается необходимая точность и шероховатость поверхности;

- высокая производительность процесса;

- отсутствие необходимости и применения специального дорогостоящего оборудования и использования высококвалифицированной рабочей силы;

- упрочнение поверхности и повышение ее эксплуатационных свойств;

- сохранение целостности волокон металла, что повышает его эксплуатационные характеристики [92];

- контакт инструмента и детали протекает при относительно небольших температурах, что исключает отпуск поверхностных слоев термически обработанных деталей, прижоги и т.д. [92,108];

- поверхность детали остается незараженной из-за отсутствия шаржирования , которое имеет место при абразивной обработке .

Обработка внутренних цилиндрических отверстий методом деформирующего протягивания выполняется деформирующими протяжками (прошивками) и относится как к методу чистовой размерной окончательной обработки, так и к методу формообразования отверстия за счет значительных пластических деформаций металла изделий.

В настоящее время накоплен значительный опыт применения деформирующих протяжек с большими натягами для получения значительных пластических деформаций обрабатываемых поверхностей взамен обработки резанием [47,66,72,86,92,118 и др.].

Инструмент проталкивается или протягивается через обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры по сравнению с размером самого инструмента. Обработка ведется одно или многоэлементными протяжками (прошивками). Они могут быть как цельными так и сборными. Деформирующие элементы изготавливаются из:

- инструментальных сталей [66,84,85,86, и др.];

- твердых сплавов [72,90,92].

Исследования литературных источников [72,90,91,92 и др.] показывают, что в настоящее время чаще всего в качестве материала для деформирующих элементов применяют твердый сплав ВК15. Данный материал обладает высокой твердостью и износостойкостью, низкой способностью к схватыванию с обрабатываемыми металлами. Однако наряду с достоинствами он имеет и недостатки:

- низкая изгибная и ударная прочность;

- высокое содержание вольфрама, который дорог и дефицитен (хим. состав \¥С-85%;Со-15%);

- высокая стоимость изготовления деформирующих элементов из-за применения алмазного инструмента.

Поэтому для устранения этих недостатков целесообразнее применять другой материал, например, инструментальные стали. Опыт применения инструментальных сталей показывает, что это сопряжено с рядом трудностей, а именно:

- резко снижается износостойкость рабочих элементов и происходит появление на них нароста;

- снижается качество и точность обработанной поверхности;

- повышается коэффициент трения и усилие деформировани