автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества наружных цилиндрических поверхностей выглаживанием сменными многогранными пластинами

На правах рукописи

Смирнов Андрей Владимирович

Технологическое обеспечение качества наружных цилиндрических поверхностей выглаживанием сменными многогранными

пластинами.

05.02.08 - ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Москва - 2014

005554015

005554015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты:

Куликов Михаил Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)»

Кириллов Андрей Кириллович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Защита диссертации состоится «23» декабря 2014 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, дом 4.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и на сайте цниитмаш.рф

Телефон для справок 8 (495) 675-85-05 Автореферат разослан «18»октября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.042.02 кандидат технических наук, доцент.

Клауч Дмитрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выглаживание, как один из методов обработки поверхностным пластическим деформированием (1111Д), позволяет получать изделия с высокими эксплуатационными характеристиками. Данный метод обработки обладает широкими технологическими возможностями. С помощью выглаживания можно производить чистовую отделочную, упрочняющую и калибрующую обработку цилиндрических, конических и плоских поверхностей. Это достигается наличием широкой номенклатуры специального деформирующего инструмента - выглаживателей различных типоразмеров, имеющих относительно высокую стоимость.

Особенностью современного машиностроения является выраженная тенденция повышения количества предприятий с мелкосерийным и единичным типами производства. В этом случае использование большой номенклатуры специализированного оборудования и инструмента крайне невыгодно. Однако известно, что изменение способа установки сменных многогранных пластин (СМП) значительно меняет функциональное назначение инструмента, появляется возможность применять СМП как при резании, так и в процессах обработки III 1Д.

Кроме того, современные предприятия машиностроительной отрасли должны выдерживать жесткие и весьма разнообразные требования заказчиков к качеству производимой продукции. В связи с этим задача технологического обеспечения качества и снижения себестоимости производимой продукции за счет использования СМП для выглаживающей обработки наружных цилиндрических поверхностей является актуальной. Для решения этой задачи необходимо выявить связи, определяющие влияние способа установки СМП на параметры качества обработанных выглаживанием поверхностей.

Цель работы. Установить закономерности влияния технологических факторов (углов установки СМП и технологического натяга) на микрогеометрию обработанной поверхности, на основе выявления взаимосвязей микрогеометрии с силовыми характеристиками и пятном контакта при выглаживании наружных цилиндрических поверхностей.

Задачи исследования:

1) Разработать методику определения конфигурации и площади пятна контакта СМП с обрабатываемой поверхностью при изменении способа установки инструмента.

2) Разработать математическую модель расчета контактных давлений в зоне контакта СМП с заготовкой, силы выглаживания и цикличности нагружения в зависимости от способа установки инструмента.

3) Экспериментально установить зависимости параметров качества обработанной выглаживанием поверхности от технологических режимов и способа установки СМП.

4) Разработать методику и технологические рекомендации по выбору рациональных параметров установки СМП для обеспечения заданных параметров качества обработанных выглаживанием поверхностей.

5) Провести производственные испытания процесса выглаживания СМП, разработанной методики назначения режимов и параметров установки инструмента.

Методы исследования. Работа выполнена на основе применения основных положений системного анализа технологических систем и методов обработки, технологии машиностроения, планирования эксперимента, статистического анализа результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в решении актуальной научно-технической задачи - выявление связей, определяющих влияние способа установки СМП на параметры качества обработанных выглаживанием поверхностей. На основании результатов исследований установлены:

- зависимости конфигурации и площади пятна контакта СМП с заготовкой от величины и направления изменения углов установки инструмента, технологического натяга и диаметра заготовки, позволившие связать способ установки пластины с силовыми параметрами процесса МИД и использовать данные зависимости в расчетах режимов обработки;

- закономерности изменения глубины внедрения инструмента в металл обрабатываемой заготовки от способа установки пластины, что позволяет применять методику расчета и назначения режимов выглаживания с изменением способа установки СМП как для схемы с жестким, так и с упругим закреплением инструмента;

- зависимости влияния углов установки СМП на величины силы выглаживания, давления в контакте и цикличности нагружения, что позволило функционально связать способ установки СМП, технологические режимы выглаживания и качество обработанной поверхности.

Практическая ценность. В работе получены следующие практические результаты:

- методика и алгоритм расчета и выбора рациональных углов установки СМП и технологического натяга (силы) выглаживания для обеспечения параметров качества при обработке выглаживанием заготовок из углеродистых и легированных сталей;

- метод моделирования контактного взаимодействия заготовки и инструмента на основе использования программ для твердотельного трехмерного моделирования, позволяющий определять параметры площади и конфигурации пятна пластического контакта, который может быть использован при проведении теоретических исследований различных методов ППД;

- определены экспериментальные зависимости шероховатости обработанных выглаживанием поверхностей от углов установки инструмента и технологических режимов при использовании СМП из современных инструментальных материалов, что позволило определить области рациональных углов установки СМП для достижения заданных параметров качества обработанной поверхности;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по обработке наружных цилиндрических и конических поверхностей выглаживанием с изменением способа установки СМП.

Личный вклад автора. Автором обоснована актуальность установления закономерностей влияния технологических факторов процесса выглаживания на

параметры шероховатости обработанной поверхности. Разработана методика определения конфигурации и площади пятна контакта СМП с поверхностью заготовки при изменении способа установки инструмента. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии в проведении экспериментов и производственных испытаний.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.02.08 -Технология машиностроения. Диссертация соответствует пунктам области исследования №2 (Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости), №4 (Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска), №7 (Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы в пяти статьях в журналах, входящих в перечень изданий -рекомендованных ВАК.

Реализация работы. Спроектирована и изготовлена технологическая оснастка для выглаживания с изменением способа установки СМП на универсальных токарных станках. Проведены производственные испытания метода выглаживания с изменением установки СМП на производственной базе ОАО «ОК-Лоза».

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 94 наименования, 5 приложений и изложена на 163 страницах машинописного текста, иллюстрируется 77 рисунками и 13 таблицами.

Апробация работы. Материалы настоящей работы докладывались на трех научно-технических конференциях, а именно: Четвертой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов "Будущее машиностроения России", 2011 г. (МГТУ им. Н.Э. Баумана); 77-й Международной научно-технической конференции ААИ "Автомобиле- и тракторостроение в России:

приоритеты развития и подготовка кадров", 2012 г. (Университет машиностроения); международной конференции "Высокие технологии в машиностроении", Харьков, НТУ "ХПИ", 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, задачи и основные направления исследования, приведены наиболее важные результаты и основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены проблемы и перспективы применения метода выглаживания с изменением способа установки стандартных СМП с позиции технологического обеспечения качества получаемых изделий. Отмечен большой вклад в исследования процесса выглаживания ряда авторов: В.М. Торбило, В.М. Смелянского, Я.И. Бараца, А.Г. Мосталыгина, В.А. Кузнецова, Э.И. Зубкова и других ученых. Анализ литературных источников позволил установить следующее:

1. Для обработки наружных цилиндрических поверхностей выглаживанием, могут быть использованы СМП, изготовленные из различных марок минералокерамики. Доказано, что качество обработанной поверхности сопоставимо с тем, которое достигается выглаживанием специальным алмазным инструментом. Производительность выглаживания с СМП выше, а себестоимость обработки ниже, чем при алмазном выглаживании.

2. Для осуществления процесса выглаживания, резец поворачивают относительно оси ОХ (рис. 1) в направлении вращения детали на угол, равный заднему углу резца, а затем приподнимают вершину резца относительно оси детали. В полученном взаимном положении СМП и заготовки возможен поворот инструмента относительно трех взаимно перпендикулярных осей (рис. 1).

3. Геометрические параметры пятна контакта оказывают существенное влияние на силовые параметры процесса, что, в конечном итоге, формирует требуемые параметры качества.

4. Для выглаживания с СМП имелись математическая модель и методика расчета геометрических параметров пятна контакта, но существенными недостатками этой методики является то, что в расчетах не учитывается величина

действительного внедрения СМП в металл заготовки, и то, что физико-механические свойства обрабатываемого материала учитываются косвенным образом.

5. В работе Э.И. Зубкова экспериментально исследовались пять способов установки СМП, обеспечивающих обработку выглаживанием: 1, 2, 3, 6, 7.

Полный факторный эксперимент был проведен только для установления зависимости параметра Яа от технологических режимов обработки выглаживанием с СМП (технологического натяга г, скорости

выглаживания V, подачи инструмента я) при неизменной схеме установки пластины. Поэтому, характер полученных зависимостей практически не имеет отличий от известных зависимостей, полученных для алмазного выглаживания.

Таким образом, сделан вывод о том, что метод выглаживания СМП требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения. В первой главе диссертационной работы сформулированы цели и задачи исследования, намечены пути их решения.

Во второй главе приводится описание разработанной методики определения параметров пятна контакта СМП и заготовки, а также силовых параметров процесса выглаживания, соответствующих рассматриваемым схемам установки инструмента. Приводятся опытные и расчетные данные.

Для исследования были выбраны схемы установки СМП, обеспечивающие отделочно-упрочняющую обработку выглаживанием: 1, 2, 3, 6, 7, 16, 17, 18, 19.

Для выявления зависимостей площади контакта от схемы установки инструмента была использована формула В.М. Торбило, которая определяет

Рисунок 1 - Морфологическая таблица возможных схем установки СМП.

площадь пятна контакта как сумму площадей пластического и упругого контактов:

Р = + = 0,75

НУ Е

(1)

где Р - полная площадь контакта (мм2), Рп - площадь пластического контакта (мм2), Fy - площадь упругого контакта (мм2), Р - сила выглаживания (Н), Я* -приведенный радиус (мм), НУ - твердость материала заготовки (МПа), Е и ц -модуль Юнга и коэффициент Пуассона обрабатываемого материала.

Приведенный радиус кривизны Я* позволяет учитывать влияние радиуса вершины СМП и радиуса обрабатываемой заготовки на величину площади их контакта, и определяется как:

Л* = (гхЯ)1/2 ;

где: г - радиус вершины СМП (мм); Я - радиус обрабатываемой заготовки (мм).

Для вычисления площади пластического контакта было применено трехмерное твердотельное моделирование в программе Компас ЗБ (рис. 2).

^ИНВНЯШН-

з :

Рисунок 2 - Моделирование контакта СМП и заготовки в программе Компас ЗБ.

Исходными данными послужили: геометрия СМП (радиус вершины г (мм), длина режущей кромки /С (мм), толщина пластины 5 (мм), угол при вершине в плане 8 (град.), задний угол а=0°), диаметр заготовки £> (мм), углы установки инструмента ф' и у (град.), глубина внедрения СМП в металл заготовки к (мкм). Разработанная методика моделирования контактного взаимодействия позволяет получать расчетные данные величины площади пластического контакта.

В перечне исходных данных для моделирования есть неизвестная — глубина внедрения А. Для определения закономерности изменения глубины внедрения СМП в металл заготовки /г при изменении способа установки инструмента был проведен ряд экспериментов, в которых процесс выглаживания прерывался при установившемся режиме обработки. Было проанализировано более 50 профилограмм переходной зоны между обработанной и необработанной поверхностями.

Схема ХОЯЩ], а)

И=4,3 (мкм)

\ -Д -Л уу

ч V V * 1 :£

" Яг=8 (мкм)

»ш

■ —,1—1»'-10"-Сяемэ коуогг. в] ' ~

\1

Яг=9 (мкм)

И=12,4 (мкм)

Яг-9 (мкм) .......

т

Это позволило установить, что глубина внедрения /г и ширина контактной области а (а как следствие и площадь контакта) сильно зависят от схемы установки инструмента. Поворот СМП на угол ф' вокруг вертикальной оси ОЪ в интервалах [-10°;0°] и [0°;10°] значительно (в 2-3 раза) увеличивает глубину

11=14 (мкм)

Рисунок 3 - Профилограммы очагов деформации при повороте СМП вокруг вертикальной оси. Натяг 1 = 40 мкм.

внедрения СМП, предположительно за счет перераспределения сил, возникающих в процессе выглаживания (рис. 3). При повороте на угол - ср' (в условно отрицательном направлении, а именно в направлении движения продольной подачи) глубина внедрения увеличивается на 10 - 15 % больше, чем при повороте в условно положительном направлении. Увеличение глубины внедрения приводит к пропорциональному увеличению площади и ширины контакта.

Угол у поворота СМП вокруг горизонтальной оси ОУ не приводит к значительному изменению глубины внедрения /г, но за счет поворота эллиптической области контакта в направлении оси заготовки происходит увеличение этой площади и ширины площадки контакта а (рис. 4). Графические зависимости глубины внедрения к от углов установки СМП при

| ПЦ!1(|н 11»

Щ 11 -' шш

Яг=8(мкм)

И=4,3 (мкм) . а=0,2 (мм)

У»гли«йпр" М£» ~ 3669 141-« : <0 £?<"» !! ё

11=3,6 (мкм) ®т

иш у/1 ■

Яг=6(мкм) " - а1=0,4 (мм) ¡«

Кг=6(мкм)' ь=4;8 (М1Ш)

лгр-т а «ЮО. гор« х 40. 5|г»

а2=0,3 (мм) 4

ггз;

1522

Рисунок 4 - Профилограммы очагов деформации при повороте СМИ вокруг горизонтальной оси. Натяг / = 40 мкм.

1Б?Глуеина ннеярения СМП Ь. мкм

2 -а.4 -ее -га

• • • «Угол ПСИ (ФИ'=10) Экспер! ■ ■•■Угол ФИ' (ПСИ=1«5) Экспериментальные

1-----Угол ФИ' расчетное (ПСИ=0)

2--Угол ПСИ расчетное (ФИ'=0)

3 -Угол ПСИ расчетное (ФИ'=10)

-Угол ФИ' расчетное (ПСИ=14)

Ыгол ловорота"СМП

выглаживании заготовок из стали 45 с заданным технологическим натягом I = 40 мкм приведены на рисунке 5. После

нахождения величин

действительного внедрения инструмента в металл заготовки, соответствующих рассматриваемым схемам

установки СМП, были вычислены величины

площадей пластического контакта посредством

моделирования в Компас ЗБ. Для вычисления полной площади контакта F, т.е. суммы площадей

Рисунок 5 - Влияние способа установки СМП на глубину

внедрения Ь. Натяг 1 = 40 мкм. пластического и упругого контакта .Рп была использована формула (1).

иполяиплошдыин.™»!»«™) После выполнения расчетов и

построения графических зависимостей и проведения регрессионного анализа были получены аналитические и графические зависимости полной площади контакта Б

(рис. 6) и ширины контакта от Рисунок 6 - Зависимость полной площади контакта Р от способа установки углов установки СМП. Натяг 1 = 40 мкм.

* г ча

Угол ПСИ|ФИ'-10.(-40)Расчетные значения »•■ «Угол ФИ'(ПСИ-14,¡-40)Расчетные значения

1 -Угол ПСИ (ФИ*-10, ¡-40 мкм) аппроксимация

2-----Угол ФИ'(ПСИ-14. (-40 мкм) аппроксимация

3 ....... Угол ПСИ (ФИ'-О) аппроксимация

4--Угол ФИ' (ПСИ-б) аппроксимация

инструмента, а также зависимости силы выглаживания Р, среднего давления в контакте р, цикличности нагружения N от углов установки инструмента.

Для проверки адекватности методики расчета полной площади контакта F были проведены соответствующие эксперименты: выполнена обработка выглаживанием пластинами с износостойким покрытием, на котором оставался след после одного прохода, и измерения данной области на контактно-оптической координатно-измерительной машине DKM 1-300DP. Результаты измерений показали расхождение с расчетными данными в пределах 10%.

Сила выглаживания Р и среднее давление в контакте р рассчитывались по следующим формулам:

P = F„xHV, P = j, ,(3),(4)

где F„ - площадь пластического контакта (восстановленного отпечатка) (мм2), F -полная площадь контакта (мм2), HV - твердость материала обрабатываемой заготовки (МПа).

Установлено, что сила выглаживания интенсивно изменяется при смене схемы установки СМП (рис. 7). Наибольших значений сила достигает при установке пластины с поворотом вокруг вертикальной оси на угол ср' = - 7°...-14°, вместе с тем, пропорционально растет и площадь контакта - поэтому среднее давление в

контакте р имеет схожий (параболический) характер зависимости от угла установки ф' (рис. 8). Зависимость силы

выглаживания от величины и направления угла поворота \|/ (вокруг горизонтальной оси OY) имеет иной характер - с увеличением угла

• ■ »«Угол Фи' (ПСИ-14 град.. 1-40) Расчетные значения 1 —"Угол ПСИ (ФИ'»10 грол ¡»40 мкм) аппроксимация •>------Угол ФИ' (ПСИ-14 град, (-40 мкн) аппроксимация

3 Угол ПСИ (ФИ'-О град,. ¡-40 мкм)

4 -Угол ФИ' <ПСИ-0 град.. 1-10 мкм)

Рисунок 7 - Зависимость силы выглаживания Р от углов установки СМП. Натяг г = 40 мкм.

поворота у сила возрастает менее интенсивно (в сравнении с поворотом на угол ф'), примерно в 2 раза на интервалах изменения угла у [-14°;0°] и [0°;14°]. При повороте СМП на углы ср' и \|/ совместно, сила выглаживания уменьшается весьма значительно (примерно с 1100 до 500 (Н) при ф'=10°), но из-за пропорционального уменьшения площади контакта давление остается практически неизменным (1600-1700 МПа).

Для оценки степени адекватности разработанной методики расчета силы выглаживания был проведен эксперимент по измерению силы выглаживания посредством универсального динамометра УДМ-600. Образец из стали 09Г2С с исходной шероховатостью Яа=2,5 (мкм) обрабатывался выглаживанием с установкой СМП по схеме Ж)Y0Z0 (углы установки ф'=у=0°), заданным технологическим натягом ;=10 (мкм), со скоростью У= 100 (м/мин), подачей ^=0,1 (мм/об.). Расхождения экспериментальных данных по величине силы выглаживания и расчетных значений находятся в пределах 20%.

Цикличность нагружения N рассчитывалась по формуле:

(5)

где, а - ширина контактной области (мм), - движение подачи (мм/об).

Величина цикличности нагружения (рассчитанная для подачи б = 0,08 мм/об) увеличивается в интервале 4 - 10 раз при повороте СМП вокруг вертикальной оси ОЪ на угол ф' в интервалах [-10°;0°] и [0°; 10°] и вокруг горизонтальной оси ОУ на угол \|/ в интервалах [-14°;0°] и [0°;14°] , соответственно.

"•••Угол ПСИ (ФИ-10 град.. 1=40) Расчетные значения »»»»Угол ФИ' (ПСИ*14 град.. ¡"40) Расчетные значения

-Угол ФИ' (ПСИ=14 град, ¡=40 кмк) аппроксимация

--Угол ПСИ [ФИ'»10 град.. ¡=40 мкм) аппроксимация.

Рисунок 8 - Зависимость контактного давления р от углов установки СМП. Натяг = 40 мкм.

В первом случае это связано с увеличением ширины контакта за счет роста глубины внедрения /г, а во втором - за счет роста ширины контакта при повороте пластины вдоль оси заготовки.

Увеличение цикличности нагружения N при увеличении углов поворота СМП позволяет назначать большую подачу инструмента, оставаясь в интервале цикличности нагружения, рекомендованной В.М. Торбило для отделочно-упрочняющей обработки (6<У<20), что приводит к росту производительности процесса выглаживания при сохранении требуемого качества обработанной поверхности.

В третьей главе приведено описание объекта, средств и методики экспериментальных исследований. В качестве объектов для проведения исследования были использованы детали типа вал, диаметром 30 ... 85 мм, длиной 65 ... 100 мм, изготовленные из сталей 45 и 75 ХГСФ. Поверхность образцов была предварительно обработана точением до достижения параметра Яа = 1,2 ... 1,95 мкм. В качестве выглаживающего инструмента были использованы СМП для токарной обработки фирмы Бап^1к СоготаШ геометрии SNGN 120712 (ё = 90°), г = 1,2 мм, из керамики на основе оксида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния и нитрида кремния с покрытием СУЕ).

Для проведения эксперимента была спроектирована и изготовлена специальная технологическая оснастка с жестким закреплением инструмента (рис. 9).

А

В процессе проведения

экспериментальных

исследований

было

использовано следующее оборудование и средства

] измерений: универсальный

Рисунок 9 - Чертеж оснастки для обработки выглаживанием СМП.

токарно-винторезный станок 1А62, профилограф-

профилометр Макг МагБи^

М 300, координатно-измерительная машина DKM 1-300DP, твердомер ТП-2 "Виккерс", микротвердомер ПМТ-ЗМ, универсальный динамометр УДМ-600, штангенциркуль, калибр скоба.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Однофакторные поисковые эксперименты были выполнены для выбора инструментального материала СМП, режимов обработки и определения интервалов варьирования углов поворота СМП в исследуемых схемах установки.

После проведения серии поисковых однофакторных экспериментов и анализа полученных данных, было выполнено планирование трех полных факторных экспериментов для нахождения зависимостей параметров качества обработанной поверхности (среднего арифметического отклонения профиля Ra, относительной опорной длины профиля tp, среднего шага неровностей профиля Sm, среднего шага местных выступов профиля S, коэффициента улучшения шероховатости К = Ra„cx/Ra.) от параметров, определяющих геометрию контактной области СМП и обрабатываемой заготовки: технологического натяга г, угла ср' поворота инструмента вокруг вертикальной оси, угла \|/ поворота инструмента вокруг горизонтальной оси. Каждый опыт повторялся три раза.

Таблица 1 - Уровни факторов и их интервалы варьирования.

Факторы Уровни Интервал варьирования

верхний основной нижний

Х[ - угол <р' (град.) 10 7,5 5 2,5

Х2 — угол у (град) 15 10 5 5

Хз - заданный натяг / (мкм) 60 40 20 20

После проведения статистической обработки данных первого полного факторного эксперимента (спланированного методом ротатабельного центрального композиционного плана второго порядка с числом опытов равны 20-ти) были получены математические модели зависимостей параметра Яа и коэффициента улучшения шероховатости К = Ramx/Ra от величины углов поворота СМП (поворот только в условно положительном направлении) и заданного технологического натяга:

Яа = 1,76 +0,016<р'2 — 0,15^' —0,06^/ —0,01/ , (6)

К = 1,47/ + 0,365у + 0,06/-0,08<р':-0.0V3 -4,89 , (7)

Зависимости 6 и 7 применимы для выглаживания заготовок из стали 45, твердостью НУ 2000...2200 МПа, Яа исходное = 1,25 ... 1,8 мкм. СМП геометрии БМчГО (е=90°), г =1,2 мм.

Наименьших значений параметр Яа достигает при следующих значениях факторов: угол <р' =11,1 град., угол \|/= 14,04 град., заданный натяг г- 40 мкм (рис. 10). Данным значениям факторов соответствуют следующие значения силовых параметров процесса: сила Р=550...700 (Н), среднее давление в контакте р= 1550.. .1600 (МПа), цикличность нагружения 8 раз.

Ча, мкм.

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

1 Rai мкм.

Углы ФИ' и ПСИ, град.

2.8 5.6 8.4 11.2 14 16.8 19.6 22.4 25.2 28

— Угол ФИ' при ПСИ-10 град.. натягМО мкм.

— Угол ПСИ при ФИ'=7,Б град.. натягНО мкм. ■■•■Угол ФИ' Экспериментальные данные

Угол ПСИ Экспериментальные данные

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Заданный натяг i, мкм.

Э 8.4 16.8 25.2 33.6 42 50.4 58.8 67.2 75.6 84 ■■■■Натяг Экспериментальные данные — Натяг при ФИ'=7,5 град., ПСИ=10 град.

Рисунок 10 - Графические зависимости параметра Яа от варьируемых факторов ф', у, /. Образцы из стали 45.

Данные значения факторов в точках экстремумов были учтены при планировании полных факторных экспериментов типа 22 для исследования влияния направлений поворота СМП на качество обработанной выглаживанием поверхности. В качестве плана эксперимента был выбран центральный композиционный ортогональный план второго порядка. Было выполнено две серии экспериментов по единому плану, отличие было в материалах обрабатываемых образцов: сталь 45 в первой серии; сталь 75ХГСФ во второй. Каждый опыт в каждой серии повторялся три раза.

Факторы Уровни Интервал варьирования

верхний основной нижний

X, - угол ср' (град.) 10 0 -10 10

Х2 - угол \|/ (град) 14 0 -14 14

Таблица 3 - Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 2".

№ Хо X, X? X,-- хЛ X, Яа. мкм К 1р, % 5. мм вт, мм

оп. 2/3 2/3 х2 ст.45 75 хгсф ст.45 75 хгсф ст.45 75 хгсф ст.45 75 хгсф сг.45 75 хгсф

1 + - - 1/3 1/3 4- 0,504 0,715 3,79 2,96 60 67 0,051 0,074 0,201 0,163

2 + 4- - 1/3 1/3 - 0,402 0,306 4,24 7,38 67 91 0,071 0,073 0,402 0,258

3 + - + 1/3 1/3 4- 0,381 0,636 5,06 3,37 67 43 0,032 0,023 0,097 0,067

4 4- 4- 4- 1/3 1/3 - 0,81 0,698 2,43 2,88 50 29 0,037 0,031 0,049 0,051

5 + - 0 1/3 -2/3 0 0,41 0,347 5,01 5,99 80 84 0,028 0,063 0,103 0,192

6 + 4- 0 1/3 -2/3 0 0,41 0,485 4,62 3,95 66 51 0,042 0,066 0,095 0,048

7 + 0 - -2/3 1/3 0 0,644 0,294 3,07 8,66 49 99 0,035 0,026 0,044 0,078

8 + 0 4- -2/3 1/3 0 0.371 0,381 5,03 5,59 86 63 0,046 0,060 0,085 0,129

9 4- 0 0 -2/3 -2/3 0 0,393 0,373 4,94 5,93 85 76 0,053 0,058 0,152 0,115

Были получены математические модели зависимостей параметров качества поверхности от направления углов поворота СМП ср' и у при обработке образцов их стали 45 и стали 75ХГСФ.

Таблица 4 — Математические модели зависимости параметров шероховатости от углов установки СМП.

Образцы из стали 45, твердостью НУ 2000...2200 МПа, Да исходное = 1,25 ... 1,95 мкм.

Образцы из стали 75ХГСФ, твердостью НУ 2500...2800МПа,Яаисходное = 1,75 ... 1,95 мкм

М = 0.39 -0,05(^1 + 0,02(—)2 + 0,П(^)! + 0.13(^Х^)' (8)

10 10 14 10 14

ЛГ = 4,% + 0,43(^)-0,24(^,-0,15,-0,92^)' -0.77(^1(^1■ (9)

1р = 82,55 + 4(—) —4,5(—) -8,33(~)" —13,83(—-6(—К—)' (10) 10 14 10 14 10 14

5 = 0,043-0,006(^4 +0,007А-0,002(^-1* +0.004(^)2-0,0(МГ^-)(—)' ^ ^ 10 14 10 14 10 14'

' (12)

&" = 0,136 — 0,024(—> + 0,069{—} + 0.064(—11 +0,029(—)г — 0,062<—' 10 14 10 14 10 14

На = 0,28+0,03(—)-0.07(—) + 0,18(—+ 0,1(—I1 +0.12(—К—)' ^ ^

10 14 10 14

(14)

^ = 82.664- 3.83(^1) + 20.33(^.1 -18.5^)= - - 9.5( ^Х^)' (15)

, (16 (17)

¿" = 0,052-0.002(^-)+0.01(^-) + 0.007|—)1 -0.014(—)г -0.002;—И—)' ^^ 10 14 10 14 10 14

Графические отображения найденных аналитических зависимостей (7) — (16), были построены в программе МшЬаЬ в виде трехмерных графиков функции от двух переменных (рис. 11).

При обработке образцов из стали 45

наилучшее сочетание параметров

качества обработанной выглаживанием

поверхности (Яа<0,25 мкм; 1р>70% ; Бт

=0,25...0,3 мм; 8>0,06 мм; К>6)

достигается при установке СМП с

,, углами поворота ср' в интервале Г10°;

Рисунок 11,- Зависимости параметра /р

обработанной поверхности от углов установки ], У1"011 V в интервале [-10 , -15 ]. СМП. Сталь 45. Натяг г = 40 мкм. При обработке заготовок, выполненных

Щ

Угол ФН1. град.

из легированной подшипниковой стали 75ХГСФ: <р' [-10°; -7°], угол \|/ [-5°; 5°].

Для определения упрочнения поверхностного слоя заготовок, обработанных выглаживанием при установке СМП с определенными экспериментально рациональными углами и заданным технологическим натягом, были выполнены измерения микротвердости НУ шлифов, изготовленных из выглаженных образцов. Степень деформационного упрочнения (наклеп) ш выглаженной поверхности определялась по формуле:

НУ - НУ

" аа 0 хЮ0%, (18)

где НУтах, НУ0 — максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя (МПа). Наклеп ш обработанных выглаживанием поверхностей заготовок из стали 45 составил 60...80 %. Это позволяет сделать вывод, о том, что выглаживание СМП при рациональных режимах (технологический натяг, подача) и углах установки инструмента не приводит к перенаклепу поверхностного слоя обработанных заготовок.

Было выполнено экспериментальное исследование влияния износа СМП на шероховатость поверхности выглаженных заготовок (рис. 12). Образцы из стали 45 с шероховатостью Яа = 1,8...2,0 (мкм) выглаживались СМП из керамики марки ВОК-63 (Бап<1у1к СоютаМ - 650), установленной по схеме Ж)У0г0 (углы установки ср'=у=0°). Режимы обработки: натяг г = 40 (мкм), подача ^ = 0,08 (мм/об), скорость V = 90... 100 (м/мин), технологическая среда - синтетическая

величины износа от пути выглаживания.

СОТС ТНК Универсал Максимально допустимый износ СМП определялся по увеличению шероховатости обработанной поверхности свыше Яа = 0,8 (мкм). Катастрофический износ, площадью 1,3 (мм2) был зафиксирован после прохождения СМП пути выглаживания более 3800 метров, что составило 55 минут машинного времени обработки.

Экспериментальные исследования влияния способа установки СМП и технологического натяга на шероховатость обработанной поверхности, позволили определить рациональные углы установки СМП и величины натяга, и разработать технологические рекомендации для обеспечения требуемых параметров шероховатости наружных цилиндрических и конических поверхностей заготовок из углеродистых и легированных сталей. Технологические рекомендации представлены в таблице 5.

Таблица 5 — Технологические рекомендации.

Параметр шероховатости. Технологические режимы Углы установки СМП

<Р'

Углеродистые конструкционные стали (HV<2000 МПа).

Ra<0,25 мкм Движение подачи j = 0,08...0,1 мм/об; скорость V = 50... 120 м/мин; заданный натяг i = 40 ... 60 мкм; (сила Р = 400 ... 1000 Н). СОТС обязательны. Исходная шероховатость Ra = 1.2 ... 2,0 мкм. 5°...10° -14°...-5°

/р>70% -5°...10° -14°...-5°

Sm= 0,25...0,3 мм -10°...0° 5°...14°

S>0,06 мм -10°...0° 5°...14°

К>6 2°...10° -14°...2°

Легированные конструкционные стали (HV>2000 МПа).

Ra<0,25 мкм Движение подачи s = 0,08...0,1 мм/об; скорость V = 50...120 м/мин; заданный натяг i = 40 ... 60 мкм; (сила Р= 600 ... 1100 Н). СОТС обязательны. Исходная шероховатость Ra = 1.2 ... 2,0 мкм. -10°...4° -7°...14°

tp> 70% -8°.-8° -5°...14°

Sm=0,2...0,3 мм -10°...10° 5°...14°

S>0,05 мм -10о...10° 5°...14°

А> 6 -10°...5° -3°...14°

В пятой главе излагается методика расчета и назначения рациональных режимов выглаживания и параметров установки СМП по заданным параметрам шероховатости. Также описываются результаты производственных испытаний метода выглаживания СМП и разработанной методики.

Методика расчета и назначения рациональных углов установки СМП и заданного натяга (силы выглаживания), обеспечивающих требуемые параметры шероховатости, основана на использовании выражений (8) - (17) для нахождения

значений углов установки ф' и у, соответствующих заданным параметрам качества обработанной поверхности. Последовательность действий по решению данной задачи можно представить в виде алгоритма (рис. 13).

Рисунок 13 - Алгоритм расчета и выбора рациональных углов установки СМП и силы (заданного натяга) выглаживания заготовок из стали 45 и 75ХГСФ.

Производственные испытания проводились на заводе приборных подшипников ОАО "ОК-ЛОЗА". Для проведения испытаний была выбрана деталь из комплекта сменных частей технологической оснастки для шлифования - втулка рабочего приспособления станка Штудер 500 для обработки колец подшипников.

После обработки выглаживанием СМП базовой поверхности втулки была достигнута требуемая величина параметра: Яа=0,356 < Яа„реде,ШОе=0,4 мкм.

Применение в качестве окончательной обработки выглаживания с СМП позволило исключить из технологического процесса операцию шлифования. Это уменьшило штучное время и сократило загрузку шлифовального станка. Погрешности формы базовой поверхности не вышли за пределы поля допуска.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В процессе выполнения работы получены следующие научные результаты и выводы:

1. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований выявлены связи, определяющие влияние способа установки СМП на параметры шероховатости обработанных выглаживанием поверхностей.

2. Разработан метод моделирования контактного взаимодействия заготовки и инструмента (метод реализован в программе КОМПАС 3D), позволяющий определять параметры площади и конфигурации пятна пластического контакта при изменении способа установки инструмента. Данный метод может применятся при проведении теоретических исследований различных методов ППД.

3. Установлены закономерности изменения площади и ширины пятна контакта и глубины внедрения инструмента от углов поворота СМП и технологических факторов процесса выглаживания. Это позволяет функционально связать способ установки инструмента с величинами силы выглаживания, среднего давления в контакте, а также цикличностью нагружения, и использовать данные зависимости в расчетах режимов обработки и углов установки СМП как с жестким закреплением инструмента, так и с упругим.

4. Доказано, что изменение углов установки ср' и 7 оказывает значительное влияние на глубину внедрения инструмента h, площадь F и ширину а контактной области, при неизменной величине заданного натяга /. При установке СМП с увеличением угла поворота <р' от 0° до ±15° глубина внедрения h увеличивается в 1,5-2 раза, площадь контакта увеличивается от 0,2 до 0,8 мм2. Угол поворота пластины \(/ приводит к уменьшению глубины внедрения и площади контакта независимо от направления поворота. При увеличении углов поворота СМП ср' и *|/ в обоих направлениях, ширина контактной области а увеличивается.

5. Установлено, что сила выглаживания Р и среднее давление в контакте р интенсивно изменяются при смене способа установки СМП. Наибольших значений сила достигает при установке пластины с поворотом вокруг вертикальной оси на угол ср'=-14°...-10°: 1000 - 1400 (Н). Прямо пропорционально растет и площадь контакта - поэтому среднее давление в контакте р

увеличивается менее интенсивно с 1500 до 1800 (МПа). С увеличением угла поворота у сила возрастает менее интенсивно (в сравнении с поворотом на угол ср'), примерно в 2 раза на интервалах изменения угла у [-14°;0°] и [0°;14°]. При повороте СМП на углы <р' и \|/ совместно, сила выглаживания уменьшается весьма значительно (примерно с 1100 до 500 (Н) при ф'=10°), но из-за пропорционального уменьшения площади контакта давление остается практически неизменным (1600-1700 МПа). Величина цикличности нагружения N увеличивается в интервале 4-10 раз при повороте СМП как на угол ср', так и на угол соответственно. Данные силовые параметры процесса позволяют назначать величину подачи инструмента в = 0,08 ... 0,16 мм/об. Это увеличивает производительность выглаживания в 1,5 — 2 раза по сравнению с алмазным выглаживанием при неизменном достижении требуемого качества обработанных поверхностей.

6. В результате экспериментальных исследований получены математические зависимости параметров шероховатости обработанной выглаживанием поверхности: Яа, 1р, Бт и коэффициент изменения шероховатости К от углов установки СМП и технологического натяга, что позволило определить области рационального изменения углов установки СМП.

7. Разработана методика назначения рациональных режимов выглаживания наружных цилиндрических и конических поверхностей и углов установки СМП для технологического проектирования и обеспечения заданной шероховатости обработанных поверхностей.

8. При обработке заготовок из стали 45 с исходной шероховатостью поверхности В.а = 1,2 ... 1,95 мкм рациональное сочетание параметров качества обработанной выглаживанием поверхности {Ка<0,25 мкм; 1р>70% (р=5%); Бт =0,25...0,3 мм; .£>0,06 мм; К>6) достигается при установке СМП с углами поворота <р' в интервале [0°; 10°], угол у в интервале [-14°; -5°]. При обработке заготовок, выполненных из легированной подшипниковой стали 75ХГСФ, с исходной шероховатостью поверхности Яа = 1,2 ... 1,95 мкм рациональное сочетание параметров качества достигается при установке пластины с интервалами изменения углов поворота ф' [-10°; 0°], угол \|/ [5°; 14°].

9. Разработаны технологические рекомендации для обеспечения заданной шероховатости наружных цилиндрических поверхностей деталей при выглаживании с изменением способа установки СМП.

10. Проведены производственные испытания на базе завода ОАО «ОК-ЛОЗА» при изготовлении втулок рабочего приспособления шлифовального станка. Применение в качестве окончательной обработки выглаживания с изменением установки СМП позволило исключить из технологического процесса операцию шлифования и снизить трудоемкость в 1,5 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5-ти печатных работах в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Смирнов A.B. Выглаживание деталей многогранными неперетачиваемыми пластинами./

В.А. Кузнецов, П.В. Шеставин, A.B. Смирнов, Д.А. Сазонов II Автомобильная промышленность. - 2010. - № 10. - С. 24.

2. Смирнов A.B. Моделирование контакта инструмента с деталью при обработке выглаживанием в программной среде Компас ЗД. / В.А. Кузнецов, Д.А. Сазонов, A.B. Смирнов // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2011. - № 2. - С. 144-149.

3. Смирнов A.B. Теоретические исследования зависимости геометрических параметров области контакта инструмента и заготовки от способа установки инструмента при обработке выглаживанием / В.А. Кузнецов, Д.А. Сазонов, A.B. Смирнов и др. // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2012. - Т. 2. - № 2. - С. 104-109.

4. Смирнов A.B. Технологическое обеспечение параметров макро- и микрогеометрии при выглаживании наружных цилиндрических поверхностей деталей машин./ В.А. Кузнецов, И.В. Заболотная, A.B. Смирнов, Д.А. Сазонов // Грузовик. - 2013. - № 5. - С. 35-37.

5. Смирнов A.B. Влияние способа установки сменной многогранной пластины на силу, контактное давление и цикличность нагружения при обработке выглаживанием./ A.B. Смирнов. // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2014. -№ 5. - с. 19-24.

Подписано в печать 14.10.2014г.

Усл.п.л. - 1.0

Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru