автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение износостойкости подвижных цилиндрических соединений с упрочненными пластическим деформированием поверхностями путем рационального сочетания их микрорельефов

Саратовский государственный тех1шческий университет Технологический институт

На правах рукописи

Маслякова Инна Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОДВИЖНЫХ ЦИЛЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С УПРОЧНЕННЫМИ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТЯМИ ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ИХ МИКРОРЕЛЬЕФОВ

Специальности 05.02.08-Технология машиностроения

05.03.01-Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-Научный консультант-

доктор технических наук профессор Я.И. Барац кандидат технических наук доцент В.З. Зверовщиков

Саратов 1999

1.1

1.2 1.3 2.

2.1.

^ 2.2.

I <

3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

Оглавление

Введение 5

Отделочно-упрочняющая обработка металлов методами поверхностного пластического

деформирования (обзор литературы)

Процессы обработки поверхностным пластическим деформированием 9

Процессы ППД с образованием регулярного микрорельефа 24 Выводы из обзора литературы 36

Исследование источников теплоты, возникающих в процессах ППД

Размеры и интенсивность теплообразующш источников в процессах ППД 38

Исследование . теплообразующего источника при обработке поверхностным пластическим

деформированием с образованием РМР 41

Выводы 47

Исследование температуры в детали при обработке ППД с образованием регулярного микрорельефа Математическая модель теплового режима 48

Местное температурное поле в детали, вызванное быстродвижущимся объемным источником теплоты 50

Пространственно-временное соответствие в

фундаментальном решении уравнения теплопроводности 53 Экспериментальное исследование температуры 61

Оптимизация режимов ППД 66

Выводы 71

Экспериментальные исследования эксплуатационных свойств деталей, обработанных ППД 73

4.1. Методика исследования износостойкости обработанных

поверхностей 74

4.1.1. Оборудование для исследования износостойкости деталей

дизеля 79

4.2. Результаты исследования износостойкости деталей регулятора дизельного двигателя 87

4.3. Исследование износостойкости деталей дифференциала автомобиля УАЗ 101 Выводы 106

5 Реализация результатов исследования в практику ППД

5.1. Методика проектирования технологического процесса

ППД с образованием РМР 107

5.1.1. Кинематика процесса 107

5.1.2. Конструкторская часть. Расчет параметров регулярного микрорельефа РМР-В 109

5.1.3. Изображение регулярного микрорельефа на чертеже 112

5.1.4. Технологическая часть. Расчет режима ППД с образованием регулярного микрорельефа РМР-В 114

5.1.5. Метрологическая часть 117

5.2. Конструкции инструментов и приспособлений для обработки методами ППД 119

5.2.1. Устройство для образования РМР на наружных цилиндрических поверхностях 119

5.2.2. Устройство для образования РМР в отверстиях корпусных деталей 122

5.3. Методика проектирования процесса обработки ППД отверстий корпуса регулятора с образованием РМР 126

5.3.1. Общие сведения 126

5.3.2. Конструкторская часть 128

5.3.3. Технологическая часть 131

5.3.4. Метрологическая часть 132

5.3.5. Техника безопасности 133 5.4. Технико-экономический эффект от использования

отделочно-упрочняющей обработки методами ППД в

производстве 133

5.4.1. Экономическая эффективность от повышения качества финишной обработки 134

5.4.2. Расчет экономической эффективности 135 Выводы 144 Выводы по работе 145 Список литературы 147 Приложения

Введение

Развитие современного машиностроения характеризуется повышенными скоростями и нагрузками, высокими рабочими давлениями и температурами. В связи с этим непрерывно возрастают требования к надежности и долговечности изделий.

В процессе работы в наиболее напряженных условиях находится тонкий поверхностный слой контактных участков соприкасающихся деталей, от качества и прочности которых в основном и зависят эксплуатационные свойства машины. Поэтому при отделочной обработке рабочей поверхности детали должны быть приданы свойства, обеспечивающие необходимые прочность и износостойкость.

Большую роль в этом отношении может сыграть широкое внедрение в промышленность процесса отделочно-упрочняющей обработки методами поверхностного пластического деформирования, в том числе и методом ' виброалмазного выглаживания поверхностей изделий.

Обработка металлов поверхностным пластическим деформированием (ППД) позволяет придать изделию повышенные эксплуатационные свойства. Эффективность процесса достигается, главным образом, за счет упрочнения поверхностного слоя, формирования в нем благоприятного напряженно-деформированного состояния, а также за счет высокой степени отделки поверхности. В связи с необходимостью улучшения эксплуатационных свойств изделий из закаленных сталей, а также маложестких и тонкостенных деталей, в последние годы широкое распространение получили процессы ППД алмазными инструментами.

Эффективность и высокое качество алмазного выглаживания и алмазного вибровыглаживания определяются уникальными свойствами природного алмаза как инструментального материала. Это чрезвычайная твердость и износостойкость алмаза, низкий коэффициент трения по металлической поверхности, высокая теплопроводность. Важным

качеством алмаза является высокая чистота, с которой может быть обработана и отполирована его рабочая поверхность.

Использование процессов ППД, особенно алмазными инструментами, показывает, что основные технологические характеристики качества, а также износостойкость инструментов зависят от тепловой напряженности в очаге деформации и контактных температур. Неблагоприятные условия теплообмена в приконтактной зоне и значительные контактные температуры являются основными причинами термопластических деформаций и снижения сжимающих остаточных напряжений. Тепловой фактор является основной причиной снижения прочности и износоустойчивости инструмента. Известно, например, что монокристалл алмаза, обладая комплексом положительных характеристик, теряет свои свойства как инструментальный материал уже при температуре 700-800°С. Поэтому тепловая напряженность процесса, с которой непосредственно связано формирование физико-механических свойств упрочненной поверхности, определяет и производительность обработки.

Несмотря на исключительную актуальность для теории и производства, теплофизическая сторона процесса виброалмазного выглаживания практически не изучена. Имеющиеся в этом направлении исследования были посвящены изучению лишь отдельных вопросов без анализа взаимосвязи различных параметров и ряда явлений, которыми сопровождается обработка. Так, например, для расчета температуры допускалась схематизация размеров и формы источника теплоты, условий теплообмена между изделием и инструментом, а также кинематикой процесса.

Допускаемая в каждом конкретном случае схематизация реального процесса и принятая математическая модель позволяли решить с той или иной степенью точности частную задачу. В большинстве случаев

исследования связывались с расчетом температуры в обрабатываемой детали.

Для комплексного исследования тепловых явлений, оказывающих доминирующее влияние как на качество упрочнения, так и на температурную устойчивость инструмента, приходится решать контактную задачу теплопроводности для реальных условий протекания процесса с учетом действительной геометрической формы взаимодействующих тел и теплообмена их с окружающей средой. Такое усложнение математической модели резко увеличивает трудоемкость исследования, что приводит, как правило, к результатам, практически непригодным для инженерных расчетов. Именно поэтому последнее обстоятельство является основной причиной того, что тепловые явления при ППД с образованием регулярного микрорельефа (РМР) недостаточно изучены.

В данной работе- на базе комплексного исследования отделочно-упрочняющей обработки решается одна из основных проблем теории ППД- проблема связи тепловых явлений с главными технологическими характеристиками качества упрочненного слоя. Для решения этой проблемы было тщательно изучено фундаментальное решение уравнения теплопроводности. В результате этого анализа была установлена связь между пространственными и временными параметрами данного решения для определенной формы источника теплоты и распределения его тепловой мощности в пространстве.

Исследование теплофизической стороны процесса позволило научнообоснованно и грамотно решить задачу о выборе оптимальных режимов и методов ППД, обеспечивающих необходимую износостойкость поверхностного слоя, при высокой производительности процесса.

Выполненное исследование отделочно-упрочняющей обработки дает более глубокое представление о сущности явлений, сопровождающих ППД с образованием РМР, позволяет прогнозировать основные

характеристики качества поверхностного слоя и определять область наиболее рациональных режимов обработки.

Цель работы. Повышение износостойкости цилиндрических деталей, работающих в условиях трения скольжения, путем поверхностного пластического деформирования взаимодействующих поверхностей и рационального сочетания их микрорельефов. Задачи работы:

1. Определить оптимальные режимы ППД сопрягаемых деталей, обеспечивающие достаточно высокие технико-экономические показатели, с учетом теплофизического анализа.

2.Исследовать износоустойчивость пары сопрягаемых деталей с целью выявления наиболее благоприятного их сочетания.

3.Разработать необходимые устройства и оснастку для практического использования результатов исследования.

В диссертации на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Основные принципы построения математической модели теплоисточника, который возникает при обработке методами ППД с образованием РМР.

2. Пространственно-временное соответствие фундаментального решения уравнения теплопроводности для теплоисточника определенной формы и интенсивности.

3. Методика планирования и обработки результатов экспериментального исследования эксплуатационных свойств поверхностей с РМР.

4. Математическая модель оптимальных параметров и режимов ППД.

Основные положения теории и экспериментальные исследования явились базой для разработки конструкций инструментов, приспособлений и методов обработки, которые показали положительные результаты при их промышленной апробации.

1. Отделочно-упрочняющая обработка металлов методами поверхностного пластического деформирования

(обзор литературы)

1.1.Процессы обработки поверхностным пластическим деформированием

Окончательная обработка поверхностей деталей машин методами поверхностного пластического деформирования в последние годы находит широкое применение в различных отраслях машиностроения.

Сущность методов ППД заключается в том, что под давлением инструмента в области соприкосновения его с изделием возникают контактные напряжения, в результате которых металл пластически деформируется, приобретая в месте контакта форму, подобную профилю рабочей поверхности инструмента [33]. Микронеровности обрабатываемой поверхности при этом сминаются, происходит упрочнение поверхностного слоя изделия.

Этот простой и эффективный способ обеспечивает повышение несущей способности, надежности и долговечности деталей машин, в особенности тех, которые работают при циклических, знакопеременных нагрузках. В практике упрочняющей обработки методами ППД применяют обкатывание роликами, шариками, алмазное выглаживание, дробеструйную, вибрационную, гидроабразивную или центробежно-ротационную обработку, дорнование, обработку вращающимися щетками и многое другое [118].

В зависимости от назначения и величины пластических деформаций все эти методы можно разделить на три класса [93]:

1) отделочно-упрочняющая обработка поверхности пластическим деформированием;

2) формообразующая обработка пластическим деформированием;

3) отделочно-упрочняющая обработка пластическим деформированием.

Все эти методы обработки заготовок имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а, следовательно, и их надежности и долговечности.

Изучению процессов обработки методами ППД посвящены многие работы отечественных и зарубежных исследователей. Хорошо известны работы Папшева Д.Д. [63...66], Кудрявцева И.В. [48...50], Шнейдера Ю.Г. [74,106...117], Бараца Я.И.[4...15,19...24,86, 98], Торбило В.М. [95,96] Смелянского В.М. [80—84,104] и других ученых.

Одним из методов отделочной обработки, обеспечивающих существенное улучшение эксплуатационных свойств деталей машин, является алмазное выглаживание.

Процессу ППД посвящены работы многих авторов. Например, Торбило В.М. [95], Бараца Я.И [13], Кафтарева В.П. [47], Дубенко В.В. [37].

Как показывают эти исследования, большое влияние на качество поверхности, точность обработки и эксплуатационные свойства деталей машин оказывают технологические факторы процесса выглаживания.

В процессе обработки алмазный инструмент под действием радиальной силы скользит по поверхности детали. При этом он выдавливает канавку, раздвигая металл деформируемых неровностей в стороны. По сторонам и впереди выглаживателя образуются валики из пластически деформированного металла, возникновение которых обусловлено волной деформации [95]. Схема деформации микронеровностей при выглаживании представлена на рис. 1.1 [95].

Деформация поверхностного слоя в направлении движения выглаживателя (рис. 1.1, а) происходит следующим образом. Прижатый к обрабатываемой поверхности с силой Ру инструмент внедряется в нее на глубину и при движении в направлении движения выглаживателя сглаживает исходные неровности.

Рис. 1.1. Схема деформации микронеровностей при выглаживании: а)деформация в направлении скорости главного движения; б)деформация в направлении движения подачи

Вследствие неоднородности исходной шероховатости R^cx, твердости поверхности и волнистости реальная поверхность не является совершенно гладкой в направлении движения инструмента, однако высота шероховатости в указанном направлении (продольная шероховатость) значительно меньше, чем высота поперечной шероховатости. После прохода инструмента происходит упругое частичное восстановление поверхности на величину Лупр. Контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью происходит по дуге abc. Вследствие того, что впереди выглаживателя образуется валик пластически деформированного металла hb, передняя полуповерхность выглаживателя нагружена гораздо больше

(контакт по дуге Ьс), чем задняя полуповерхность (контакт по дуге аЬ). По этой причине в процессе выглаживания возникает тангенциальная сила Р2.

Деформация поверхностного слоя в направлении движения подачи представлена следующей схемой (рис. 1.1,6). При продольном перемещении выглаживатель раздвигает металл деформируемых поверхностных неровностей в стороны. При этом со стороны исходной поверхности образуется валик деформированного металла Ьь, а со стороны выглаженной поверхности происходит искажение профиля канавок, образовавшихся при предыдущих оборотах детали, в результате пластического течения металла, выдавливаемого из-под выглаживателя в сторону выглаженной поверхности. В наибольшей степени искажается профиль канавки, образованный на предыдущем обороте.

После каждого оборота обрабатываемой детали канавка-след выглаживателя перемещается в осевом направлении на величину подачи Б. При этом происходит • многократное перекрытие ее при последующих оборотах обрабатываемой детали, так как ширина канавки больше величины подачи. Контакт выглаживателя с обрабатываемой поверхностью происходит по дуге ёеГ. Вследствие того, что со стороны невыглаженной поверхности образуется валик деформированного металла Ъъ, правая полуповерхность (в направлении движения подачи) нагружена гораздо больше (контакт по дуге е£), чем левая полуповерхность (контакт по дуге ёе), поэтому в процессе выглаживания возникает осевая сила Рх.

В результате пластического деформирования обрабатываемой поверхности происходит сглаживание исходных неровностей и образование нового микрорельефа поверхности со значительно меньшей высотой неровностей К2Ь. Размер детали уменьшается на величину остаточной деформации Ащ,. На величину и форму образующихся неровностей влияет также неоднородность шероховатости и твердости обрабатываемой поверхности, колебания силы выглаживания, вызванные

биением детали, и ряд других факторов. Это вызывает отклонения реального микропрофиля от изображенного на рис. 1.1 [95].

Рис. 1.2. Схема профиля очага деформации.

В соответствии с теорией, предложенной Смелянским В.М [80,84,104], деформирование поверхностного слоя представлено схемой (рис. 1.2), согласно которой величины Ид, 11в, 11р, А ха�