автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества упрочнения маложестких валов центробежным обкатыванием

На правах рукописи

Горбунов Андрей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРОЧНЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТЫВАНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Иркутск 2013

005542995

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» на кафедре машиностроительных технологий и материалов

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Зайдес Семен Азикович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машиностроительных технологий и материалов ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Димов Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор кафедры Конструирования и стандартизации в машиностроении ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»;

Тютрин Николай Орестович

кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО НПЦ «СибирьТрансИнжиниринг», г. Иркутск

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный университет путей сообщения", г. Иркутск.

Защита состоится 18 декабря 2013г в 12-00 ч на заседании диссертационного совета Д212.073.02 Иркутского государственного техническог о университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземпляра?:, заверенных печатью организации) просьба высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрГТУ; ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.02 Салову Валерию Михайловичу, e-mail: salov@istn.edu. тел./факс: (3952) 40-51-17

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Маложесткие детали типа валов, осей штанг широко применяют в транспортной и сельскохозяйственной технике, в водных судах и металлорежущих станках, в разнообразных механизмах горнорудной и текстильной техники.

Создание новых конструкционных материалов с повышенной прочностью и стремление к экономии металлов все больше приводит к увеличение номенклатуры класса маложестких изделий.

Малая изгибная жесткость стержневых деталей вызывает существенные проблемы при их обработке и сборке, поэтому такие детали обычно являются нетехнологичными. Для уменьшения прогибов при механической обработке приходится уменьшать частоту вращения заготовки, подачу и глубину резания, что автоматически приводит к снижению производительности труда и повышению длительности технологического процесса обработки.

Изгибную жесткость изделий при механической обработке можно повысить за счет использования технологических опор в виде люнетов или за счет использования деформирующего инструмента замкнутого типа. К сожалению, эффективных результатов, в этом направлении пока не получено, так как не устранена основная причина вызывающая искривление валов - вращения длинномерной заготовки, и как следствие, появление центростремительных сил, искажающих форму изделия.

Другим важным моментом при обработке маложестких деталей является состояние поверхностного слоя. С одной стороны, он должен обеспечивать геометрическую стабильность при внешнем воздействии рабочего инструмента, а с другой стороны, поверхностный слой должен принимать упругопластиче-ское воздействие для формирования необходимых требований к качеству изделия: глубина упрочнения, степень наклепа, шероховатость и остаточные напряжения.

Если для жестких деталей такие разноплановые задачи не вызывают проблем, то для маложестких они являются взаимоисключающими. Поэтому в данной работе была поставлена задача по обеспечению геометрической стабильности стержневых деталей типа валов и формирование необходимого качества поверхностного слоя при поверхностном пластическом деформировании.

Цель работы: Создание эффективной технологии отделочно-упрочняющей обработки маложестких валов обеспечивающей повышение качества поверхности при сохранении точности и стабильности геометрической формы.

Задачи исследования:

1. На основе анализа запатентованных и используемых в производстве инструментов для ППД, разработать устройство для обработки нежестких валов с учетом механических свойств поверхностного слоя.

2. Получить аналитические зависимости для расчета конструктивных и конструктивно-технологических параметров центробежного обкатника, обес-

печивающие необходимые качественные показатели обработки ППД нежестких валов.

3. Разработать методику расчета технологических параметров обработки нежестких валов центробежным обкатником на основе реальных механических свойств поверхностного слоя.

4. Экспериментально определить механические свойства поверхностного слоя малоуглеродистых сталей используемых для расчета технологических параметров центробежного обкатывания нежестких валов.

5. Провести экспериментальную проверку аналитических зависимостей и методики расчета рациональной величины технологических параметров ППД центробежным обкатыванием малоуглеродистых сталей.

Объект исследования: маложесткие стальные детали типа осей, валов, штанг.

Предмет исследования: качество поверхностного слоя и технологические параметры упрочнения центробежным обкатыванием.

Научная новизна

- Разработаны теоретические положения по проектированию технологического процесса отделочно-упрочняющей обработки нежестких валов, опирающиеся на физические закономерности деформации поверхностного слоя в пределах зоны взаимного влияния.

- Получены аналитические зависимости частоты вращения центробежного обкатника от величины критического напряжения в поверхностном слое маложестких валов. Использование этих зависимостей обеспечивает создание условий для упрочнения поверхностного слоя в пределах зоны взаимного влияния.

- В результате электромагнитных и механических испытаний поверхностного слоя стержневых деталей установлена количественная зависимость между характеристиками прочности основного металла и зоны взаимного влияния, а также доказана стабильность напряженного состояния по длине упрочненного слоя при центробежном силовом воздействии.

Практическая значимость

- Спроектирована и изготовлена конструкция центробежного обкатника, обеспечивающая стабильную деформацию поверхностного слоя по длине вала. Устройство позволяет обрабатывать изделия с конусностью до 1:8 без дополнительной настройки обкатника.

- Разработана технология поверхностного пластического деформирования нежестких деталей типа валов центробежным обкатыванием.

- Предложена методика расчета рациональных размеров деформирующего инструмента для центробежного обкатывания нежестких деталей.

- Конструкторско-технологические рекомендации по упрочнению маложестких валов рекомендованы к внедрению на ООО ПО «Усольмаш» при изготовлении длинномерных деталей типа «Ось конвейера».

Достоверность полученных результатов подтверждена обоснованностью принятых допущений, корректностью выбранных методов исследования. До-

стоверность выводов подтверждается опытом практической реализации результатов исследования.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены автором на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.), на Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Жизненный цикл конструкционных материалов» (Иркутск, 2012, 2013 г. г.), ежегодных научно-практических конференциях института авиа-машиностроения и транспорта Иркутского государственного технического университета, на конференциях в рамках международного форума «Инженеры будущего» (Байкал) 2011-2013г.г.

Основные положения выносимые на защиту:

- Технология, обеспечивающая формирование равномерного напряженного состояния по длине маложесткого вала.

- Методика определения механических характеристик в поверхностном слое упрочненных деталей.

- Методика выбора технологических параметров обработки маложестких валов в зависимости от исходной микроструктуры материала.

- Усовершенствованная конструкция обкатника, генерирующего деформирующее усилие от центробежного воздействия.

Публикации. Результаты работы отражены в шести публикациях. В журналах рекомендуемого перечня ВАК РФ опубликовано 3 статьи, общим объемом 2 пл.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 128 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы. Сформулирована цель, задачи и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ технологических параметров и оснащения влияющих на качество обработки ППД нежестких валов.

Показано, что технологии упрочнения, разработанные для обработки ППД жестких валов не могут быть использованы для обработки маложестких валов без существенного увеличения жесткости системы СПИД, создания специальных инструментов и оборудования.

Исследованием качества изделий при ППД в России занимались: Басков Л. В., Блюменштейн В. Ю., Димов Ю. В., Драчев О. И., Емельянов В. Н., Зайдес С. А., Исаев А. Н., Киричек А. В., Кропоткина Е. Ю., Матлин М. М., Мураткин Г. В., Папшев Д. Д., Пашков А. Е., Попов М. Е., Проскуряков Ю. Г., Расторгуев Д. А., Рахимянов X. М., Смелянский В. М, Суслов А. Г., Тамаркин М. А., Чепа П. А и многие другие исследователи. Их трудами созданы научные

Усилие прижима роликов к поверхности заготовки пропорционально квадрату частоты вращения центробежного обкатника:

Рг = (15Р3 +65)п210-5 , (3)

где Р3 — сила тяжести груза, Н; п - частота вращения инструмента, об/мин.

Для данного типоразмера центробежного обкатника изменение диаметра обрабатываемого вала более чем в 3 раза не приводит к существенному изменению усилия прижима инструмента, что позволяет обрабатывать детали с конусностью 1:8 без каких-либо затрат времени на настройку инструмента.

Из условия распространения пластической деформации на глубину, не превышающую размер зоны взаимного влияния установлены аналитические зависимости ограничивающие расстояние между опорами, поддерживающими вал при центробежном обкатывании

Ь~ / (15РГ + 65)тг210~5, ™

и частоту вращения инструмента

п2 < -—-т, (5)

2 ~ д/ 0.18£г(15Рг+65)'

где Мх, Т -соответственно изгибающий и крутящий моменты, рассчитанные с учетом пластического течения в поверхностном слое на глубину ?у, Нм; (1 - диаметр обрабатываемого вала.

Величины крутящего и изгибающего моментов зависят от размера г^, поэтому проектирование инструмента должно происходить во взаимосвязи с микроструктурой нежесткого вала. Выполнение неравенств, предложенных для выбора основных размеров центробежного обкачгника, обеспечивает большую однородность обработки в пределах зоны взаимного влияния.

Рациональная глубина деформационного упрочнения маложестких деталей не должна превышать размеров зоны взаимного влияния, в пределах которой формируется, сохраняется и через которую передается технологическая наследственность.

Получена аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать глубину упрочнения в пределах зоны взаимного влияния:

1 1(15^63,40- + 1 ~ _ 1 + ь) + 1 к\у] ттос1стп 4 4 /

где Р3 — масса груза, а, Ъ - полуоси эллипса пятна контакта ролика с деталью, а1=1,4...1,6; I - глубина невосстановленной лунки, <тп - нормальное напряжение в очаге деформации.

Рис. 5. Блок-схема

экспериментальной

установки:

1 - образец; 2 - индукционный трансформаторный датчик;

3 - генератор ГЗ-111;

4 - тензоусилитель ТА-5;

5 - датчик нагрузки на образец

Рис. 4. Экспериментальная установка для исследования механических свойств поверхностного слоя. 1 — образец; 2 - индукционный трансформаторный датчик; 3 - генератор ГЗ-111; 4 - тензоусилитель ТА-5; 5 - датчик нагрузки на образец; 6 - самописец ХУ-4103; 7 -преобразователь В-9; 8 - разрывная машина Р - 50; 9 -блок управления разрывной машины Р- 50

ный в патроне станка 1К62. Обрабатываемая заготовка 2 одним концом закреплена в самоцентрирующемся трехкулачковом патроне 3, другой конец - свободен. Продольная подача заготовки обеспечивается движением задней бабки, скрепленной замковым устройством с суппортом.

Для исследования механических свойств поверхностного слоя использована экспериментальная установка (рис. 4), принципиальная схема которой показана на рис. 5 По перегибу на электромагнитной диаграмме растяжения образца или заготовки (рис. 6) определено макроскопическое напряжение течения поверхностного слоя авЕ, которое использовалось для расчета механических характеристик поверхностного слоя. Запись изменений напряжения аВе после электрохимического стравливания слоя определенной толщины позволило определять глубину наклепа после центробежного обкатывания. По напряжению сгВе оценивалась равномерность обработки и функциональная зависимость остаточных напряжений от частоты вращения центробежного об-катника. Остаточные напряжения первого рода в поверхностном слое определены с использованием электромагнитной диаграммы растяжения образца и рентгеновским способом. Величина остаточного макроскопического напряжения пропорциональна электрическому напряжению во вторичной обмотке датчика после полной разгрузки образца.

Рис. 6. Электромагнитные (1, 2) и механические (3, 4) диаграммы растяжения образцов

Глубина, мм

Рис. 16. Зависимость микротвёрдости от глубины упрочненного слоя.

Частота вращения обкатника • -315 об/мин; и -400 об/мии;х -200 об/мин

жается в 10-25 раз.

По результатам работы сформированы рекомендации по отделочно-упрочняющей обработки группы длинномерных деталей типа «Ось конвейера» изготавливаемые на ООО ПО «Усольмаш». Например, при изготовлении оси чешуйчатого элеватора шероховатость поверхности Яа получаемая после операции шлифования должна быть в пределах 0,32 - 0,30 мкм. Использование технологии центробежного обкатывания роликом позволила получить шероховатость 0,26 - 0,3 мкм, и упрочнение поверхностного слоя, увеличивающее долговечность детали. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 264 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Качество обработки ППД центробежным обкатником нежестких валов зависит от размеров и свойств зоны взаимного влияния, толщина которой зависит от среднего размера зерна микроструктуры. Неоднородность свойств этого приповерхностного объема, особенности его пластической деформации определяют результат отделочно-упрочняющей обработки.

1. Разработана конструкция центробежного обкатника, обеспечивающая неизменность рабочего усилия, стабильность деформации и напряжений по длине заготовки при изменении диаметра вала в 3 раза.

2. Разработан аналитический аппарат для расчета конструктивно-технологических параметров центробежного обкатника, обеспечивающего необходимые качественные показатели обработки ППД нежестких валов.

3. Определены механические свойства поверхностного слоя малоуглеродистых сталей, используемых для расчета технологических параметров центробежного обкатывания.

4. Установлена, теоретически и экспериментально подтверждена рациональная глубина упрочнения поверхностного слоя нежестких валов при отделочно-упрочняющей обработке ППД. Она не должна быть больше размера зоны взаимного влияния.

5. Разработана и экспериментально проверена методика расчета технологических параметров обработки нежестких валов центробежным обкатником, учитывающая особые механические характеристики и закономерности деформационного упрочнения поверхностного слоя.

6. Экспериментально установлены качественные показатели поверхностного слоя, упрочненного центробежным обкатыванием: исходная шероховатость Ra снижается в 10-25 раз, глубина упрочненного слоя составляет 0,1-0,2 мм, твердость возрастает на 50-55 %, в поверхностных слоя формируются осевые остаточные напряжения сжатия величиной 400-450 МПа.

7. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров отделочно-упрочняющей обработки деталей типа «ось конвейера» на ОАО ПО «Усольмаш». Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных технологических рекомендаций составляет 264 тыс. руб. в год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

В изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Горбунов A.B., Горбунов В.Ф. Закономерности деформационного упрочнения поверхностного слоя стеши 25 // Вестник ИрГТУ, №6, 2011. - с. 50-52.

2. Горбунов A.B., Горбунов В.Ф. Обоснование глубины упрочнения нежестких валов при поверхностной пластической деформации центробежным обкатником // Вестник ИрГТУ, №9, 2012 г. - с. 29-33.

3. Вулых Н.В., Горбунов A.B. Центробежное обкатывание нежестких валов для достижения минимальной шероховатости и максимальной несущей способности поверхности // Вестник ИрГТУ, №10, 2012. - с. 34-39.

В прочих изданиях:

4. Горбунов А.В, Горбунов В.Ф. Сопротивление пластическому деформированию круглых валов при изгибе с учетом особых свойств поверхностного слоя / Межвуз. сб. научн. тр. под ред. С.А.Зайдеса. - Иркутск: Из-во ИрГТУ, 2010. - с. 2538.

5. Горбунов В.Ф., Зайдес С.А., Горбунов A.B. Деформационное упрочнение поверхностного слоя армко-железа / Высокие технологии, образование, промышленность. Т.1: сборник статей Одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 27-29 апреля 2011 г., Санкт - Петербург, Россия / под ред. А.П.Кудинова. - СПб: Изд-во Политехнического ун-та, 2011. -с. 156-159.

6. Вулых Н.В., Горбунов A.B., Сташевская К.В. Обработка нежестких валов центробежным обкатываем для достижения оптимальной шероховатости / Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы докладов 2 Всеросс. с международным участием науч.-техн. конф. (Иркутск, 25-27 апреля, 2012 г.) / под. ред. С А.Зайдеса. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. - с. 236242.

Подписано в печать 15.11.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Зак. 174. Поз. Плана Юн

Лицензия ИД № 06506 от 26.. 12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах шчсбписи

04201452853 Горбунов Андрей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРОЧНЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТЫВАНИЕМ

Специальность 050208 -Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Зайдес С.А.

Иркутск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ППД И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ................................10

1.1. Основные технологические трудности изготовления маложестких деталей..................................................................................................................10

1.2. Оборудование, инструмент и технологии их использования при обработке ППД маложестких деталей...............................................................12

1.3. Остаточные напряжения и микроструктура поверхностного слоя при ППД.......................................................................................................................20

1 А. Поверхностный слой и его роль в стабилизации эксплуатационных свойств маложестких деталей............................................................................33

Выводы и постановка задач исследования.......................................................42

ГЛАВА 2. ВЗАИМОСВЯЗЬ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ППД НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ С КОНСТРУКТИВНЫМИ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА И СВОЙСТВАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ........................................................................................................................46

2.1. Показатели качества обработки нежестких валов ППД и их технологическое обеспечение............................................................................46

2.2. Выбор конструкции инструмента для обработки нежестких валов......48

2.3. Влияние материала детали на конструктивные и технологические параметры.............................................................................................................56

2.4. Предельные значения конструктивных и технологических параметров центробежного обкатника...................................................................................60

2.5. Деформационное упрочнение поверхностного слоя и глубина наклепа..................................................................................................................63

Выводы к главе 2.................................................................................................72

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ НЕЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК И PIX ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ППД.............................................74

3.1. Материалы, образцы и методика подготовки их к проведению исследований........................................................................................................74

3.2. Экспериментальная установка для исследования центробежного обкатывания и методика проведения эксперимента........................................76

3.3. Экспериментальная установка и методика исследования механических свойств поверхностного слоя.............................................................................78

3.4. Глубина упрочнения и методика ее экспериментального определения 80

3.5. Измерение параметров шероховатости.....................................................84

Выводы к главе 3.................................................................................................85

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТЫВАНИЕМ.................................................................................................86

4.1. Механические свойства поверхностного слоя.........................................86

4.2. Определение геометрических параметров деформирующего ролика и величины подачи.................................................................................................97

4.3. Расчет технологических параметров центробежного обкатывания.....102

4.4. Определение шероховатости упрочненной поверхности.....................104

4.5. Определение глубины упрочнения..........................................................112

4.6. Равномерность обработки, остаточные напряжения, твердость..........118

4.7 Рекомендации для промышленного внедрения результатов исследования......................................................................................................124

Вывводы к главе 4......................................................................126

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.................................................................127

Список сокращений и условных обозначений........................................128

Список литературы................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................139

1 Вывод формулы расчета величины изгибающего момента..................139

2 Вывод формулы для расчета крутящего момента..................................142

3 Акт внедрения............................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Валы и оси занимают значительную часть деталей изготовляемых на машиностроительных заводах. Переход к использованию в машинах, механизмах более высокопрочных, обладающих уникальными свойствами наноматериалов [16; 32] приводит к увеличению номенклатуры маложестких валов. Одновременно возрастают требования по точности обработки, шероховатости поверхности, усталостной прочности и долговечности изделий. И это не случайно. Большинство валов работают в условиях действия знакопеременных нагрузок и испытывают значительные упругие деформации изгиба и кручения. При эксплуатационных скоростях вращения даже небольшое геометрическое несоответствие вызывает появление дисбаланса, вибраций и увеличения динамических нагрузок на опоры, что существенно ускоряет процессы разрушения детали и вывода из строя машины в целом. Эксплуатационные качества и прочностная надежность детали существенным образом зависит от геометрических и физико-механических свойств поверхностного слоя (ПС), формирующихся в процессе технологического воздействия на приповерхностный объем. Применяемые методы окончательной обработки (шлифование, хо-нингование, доводка и др.) обеспечивают необходимую форму деталей с заданной точностью, но часто не обеспечивают оптимального качества ПС. Взамен традиционной, абразивной чистовой обработки, как показывает производственная и эксплуатационная практика, наиболее перспективным является применение методов ППД, при которых происходит интенсивное выглаживание поверхностных неровностей заготовки, сопровождающееся значительным упрочнением поверхностного слоя, исключается шаржирование поверхности как при абразивной обработке; становится возможным образование частично или полностью регулярных микрорельефов [69; 71; 96; 109].

При малой жесткости вала возрастает роль поверхностного слоя (ПС) в обеспечении стабильности формы и размеров вала, имеющего определенную технологическую наследственность. Это часть поперечного сечения вала, прилегающего к свободной поверхности, обладая особыми свойствами [3; 48; 77], подвергается различным технологическим воздействиям, каждое из которых оставляет след в его

макро и микроструктуре. Совокупность этих изменений определяет, в конечном счете, точность изготовления, возможность и величину коробления. Чтобы обеспечить требуемое качество обработки необходимо либо контролировать на каждом этапе технологического процесса показатели физико-механического состояния ПС добиваясь оптимальных конечных результатов, либо использовать на финишных операциях технологический процесс, который не только улучшает качество, но и в значительной степени ослабит влияние технологической наследственности на эти показатели. К таким технологическим операциям относятся различные методы поверхностной пластической деформации (ППД).

Существующие методы проектирования рациональных технологических процессов ППД [69; 71; 105] не могут быть использованы для валов малой жесткости без существенной корректировки. Рассчитываемые или рекомендуемые параметры (усилие прижима, продольная подача и скорость обкатки) невозможно реализовать для податливых валов без существенной модернизации инструмента и оборудования, без учета исходной и наследственной микроструктуры формирующейся в ПС одновременно с уравновешенной системой остаточных напряжений первого, второго и третьего рода.

Часто для увеличения усталостной прочности при ППД стремятся получить значительной величины остаточные напряжения сжатия. Проблемы статической и динамической неуравновешенности быстро вращающихся маложестких заготовок, влияние особых свойств поверхностного слоя, не позволяют используя традиционные технологические приемы добиться равномерного упрочнения по всей длине и окружности вала, что приводит к неравномерному распределению остаточных напряжений и короблению при изготовлении детали или во время ее эксплуатации.

Очевидная взаимосвязанность качественных показателей обработки ППД маложестких деталей с физико-механическими свойствами ПС и применяемого оборудования, инструмента [17; 46; 94; 96; 105] требует от исследователей (Искать рациональные параметры обработки с учетом особых свойств ПС и геометрических параметров структуры приповерхностного объема. В связи с изложенным выше

была сформулирована цель работы: создание эффективного технологического процесса обработки поверхности маложестких валов центробежным обкатыванием.

Для достижения поставленной цели в данной работе:

• разработано устройство для обработки нежестких валов небольшого диаметра с учетом механических свойств ПС;

• разработан аналитический аппарат для расчета конструктивных и конструктивно-технологических параметров центробежного обкатника, обеспечивающего необходимые качественные показатели обработки ППД нежестких валов.

• разработана методика расчета технологических параметров обработки нежестких валов центробежным обкатником на основе реальных механических свойств поверхностного слоя.

• экспериментально определены механические свойства поверхностного слоя малоуглеродистых сталей используемых для расчета технологических параметров центробежного обкатывания нежестких валов.

• проведена экспериментальная проверка аналитических зависимостей и методики расчета рациональных технологических параметров ППД центробежным обкатником малоуглеродистых сталей.

• дана сравнительная оценка эффективности центробежного обкатывания нежестких валов по параметрам шероховатости, производительности, однородности обработки, величине остаточных напряжений.

Решение этих задач теоретическими и экспериментальными методами позволило получить результаты, имеющие научную новизну и практическую значимость. Разработаны научные основы проектирования технологических процессов отделочной обработки (ППД) нежестких валов опирающиеся на физические закономерности деформации ПС в пределах зоны взаимного влияния и учитывающие геометрические параметры микроструктуры материала. Получены аналитические зависимости частоты вращения центробежного об-катника от величины критического напряжения в поверхностном слое маложестких ва-лов. Эта зависимость обеспечивает создание условий для упрочнения поверхностного слоя в пределах

зоны взаимного влияния. В результате электромагнитных и механических испытаний поверхностного слоя стержневых деталей установлена количественная зависимость между характеристи-ками прочности основного металла и зоны взаимного влияния, а также доказана стабиль-ность напряженного состояния по длине упрочненного слоя при центробежном силовом воздействии.Для практического применения разработана и изготовлена конструкция центробежного обкатника, обес-печи-вающая стабильную деформацию поверхностного слоя по длине вала. Разработана технология поверхностного пластического деформирования нежестких деталей типа валов центробежным обкатыванием. Предложена методика расчета рациональных размеров деформирующего инструмента и технологических параметров ППД нежестких деталей центробежным обкатником. Конструкторско-техноло-гические рекомендации по упрочнению маложестких валов рекомендованы к внедрению на ООО ПО «Усольмаш» при изготовлении длинно-мерных деталей «Ось конвейера»

Достоверность результатов подтверждена воспроизводимостью экспериментальных испытаний. Обоснованность выводов подтверждается опытом практической реализации результатов исследования.

Работа выполнена по заданию технического отдела ОАО Производственное объединение «Усольмаш» под руководством профессора Зайдеса С.А. Результаты работы рекомендованы для изготовления группы длинномерных деталей типа «Ось конвейера».

Результаты исследований докладывались на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011), второй Всероссийской с международным участием научно-технической конференции (Иркутск, 2012), на ежегодных научно-практических конференциях института авиа-машиностроения и транспорта Иркутского государственного технического университета, на конференциях в рамках международного форума «Инженеры будущего» 2012, 2013г.г., на расширенном заседании кафедры машиностроительных технологий и материалов ИрГТУ.

Автор выносит на защиту:

• Усовершенствованная конструкция обкатника, генерирующего деформирующее усилие от центробежного воздействия.

• Технология обеспечивающая формирование равномерного напряженного состояния по длине маложесткого вала.

• Методика определения механических характеристик в поверхностном слое упрочненных деталей.

• Методика выбора технологических параметров обработки маложестких валов в зависимости от исходной микроструктуры материала.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ППД И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

1.1. Основные технологические трудности изготовления маложестких деталей

Принято оценивать жесткость валов отношением длины вала к его диаметру. Если это отношение больше 12 вал относится к деталям малой жесткости [46].

Достижение заданной точности изготовления маложестких валов сопряжено со значительными трудностями из-за упругих и остаточных деформаций, возникающих под действием усилия резания, прижима и формирующих на всех операциях обработки остаточных напряжений. В этих деталях технологические остаточные деформации составляют основную долю суммарной погрешности обработки. Например, допустимое отклонение от прямолинейности высокоточных валов достигает 10 мкм на метр длины вала, в то время как остаточные деформации возникающих при обработке заготовки могут на порядок превышать эту величину [46]. Погрешность обработки зависит, главным образом, от погрешностей статической настройки элементов технологической системы и динамики процесса обработки [22].

Для повышения точности обработки заготовки должны крепиться без радиальных напряжений, радиального биения и обрабатываться с одного установа [129]. Статическую настройку можно выполнить с достаточно высокой точностью. Гораздо сложнее управлять динамикой процесса.

Значительные прогибы при технологическом воздействии усугубляются явлениями, возникающими в динамической системе станок, инструмент, вращающаяся заготовка [63; 87; 113]. Наличие исходного прогиба и его увеличение при технологическом воздействии приводит к еще большему увеличению прогиба под действием инерционных сил. В работе [4] экспериментальное исследование смещения оси нежесткого вала в процессе токарной обработки показало, что оно увеличивается при увеличении параметров режима резания I и б и уменьшении изгиб-ной жесткости вала. С увеличением частоты вращения смещение оси сначала

уменьшается, а затем увеличивается и выражается в колебаниях различного характера и форм. Происходит дестабилизация параметров технологического процесса, которая может закончиться вырывом заготовки из закрепляющих опор. Динамическая неустойчивость усугубляется влиянием неравномерного температурного нагрева в зоне контакта обрабатывающего инструмента и детали. Образование температурного поля сопровождается изгибом, что изменяет характеристики процесса тепловыделения и еще более увеличивает изгиб [113].

С уменьшением жесткости вала уменьшается собственная частота изгибных и крутильных колебаний заготовки [87; 113]. Технологический процесс изготовления осуществляется при соотношении частот более близких к резонансным, а значит при больших амплитудах поперечных и крутильных колебаний заготовки. При 1111Д и других видах обработки это приводит к неравномерности упрочнения поверхностного слоя, формированию при освобождении от закрепления по ее периметру несимметричной относительно оси заготовки системы остаточных напряжений. В результате имеем коробление детали. Причиной деформации может быть и неравномерность жесткости конструктивных элементов детали при релаксации равномерно распределенных остаточных напряжений [54].

На результаты обработки тонких и достаточно протяженных валов существенно большее влияние оказывает технологическая наследственнос�