Р. В. Гуров Методология проектирования операций

Вид материала

Документы

Содержание Ан, величин контактных деформаций, которые определяются формируемой относительной длиной профиля шероховатости tp Аду определяется по зависимости 5 Аду Aф – фактическая площадь контакта [1]; k Список литературы

Подобный материал:

• А. Е. Стешков методология проектирования металлорежущих инструментов, 74.74kb.
• Лекция №8 методологии структурного и системного анализа и проектирования, 76.52kb.
• Р. В. Гуров Основы проектирования инструмента для различных, 182.94kb.
• 05. 13. 12 Системы автоматизации проектирования (по отраслям) Формула специальности, 21.27kb.
• Вопросы по дисциплине Системы автоматизированного проектирования в сервисе, 19.6kb.
• Методология анализа и проектирования распределительных каналов, 59.46kb.
• Лекция: Организация разработки ис: Каноническое проектирование ис. Стадии и этапы процесса, 312.68kb.
• Программа курса методология истории д филос н., проф. Антипов Г. А. Новосибирск 2004, 62.35kb.
• Принципы и задачи проектирования 1 Уровни, аспекты и этапы проектирования, 399.58kb.
• Методология проектирования и использования ситуационных центров в образовательном процессе, 53.36kb.

УДК 621.787

Р.В. Гуров

Методология проектирования операций
отделочно-упрочняющей обработки деталей машин

поверхностно-пластическим деформированием

Описана методология выбора методов отделочно-упрочняющей обработки рабочих поверхностей деталей машин ППД, определения параметров инструмента и режимов обработки в зависимости от функционального назначения поверхности. Приведены некоторые справочные материалы. Представлен пример результатов расчетов по предлагаемой методологии.


Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, шероховатость, упрочнение, инструмент, режимы обработки.


Широкое применение в промышленности для повышения долговечности деталей машин получили методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим деформированием (ОУО ППД). К ним относятся все методы обработки деталей, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, выглаживание, вибронакатывание, виброобработка, дробеструйная, центробежно-ударная, статико-импульсная обработка и др. виды обработки различных поверхностей деталей машин.

Выбор методов ОУО ППД осуществляется в зависимости от размеров деталей, формы и функционального назначения обрабатываемой поверхности. Выбор методов обработки деталей малых размеров (до 100 мм) представлен в табл. 1. Аналогичные таблицы составляются для деталей средних (от 100 до 300 мм) и крупных (более 300 мм) размеров.

В зависимости от точности обрабатываемой поверхности выбирается метод предшествующей обработки, который, в свою очередь, достаточно однозначно определяет исходную для ОУО ППД шероховатость поверхности.

В зависимости от функционального назначения обрабатываемой поверхности детали ОУО ППД можно выполнять на отделочных, отделочно-упрочняющих и упрочняющих режимах.

Отделочная обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности и увеличения ее несущей способности, т.е. увеличения параметра шероховатости t_p или уменьшения параметра Rр, практически без упрочнения поверхностного слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости детали при жидкостном трении, контактной жесткости, герметичности и коррозионной стойкости. Процесс отделочной обработки ППД деталей осуществляется при рабочем давлении, обеспечивающем частичное сглаживание выступов шероховатости при контактном сближении у_к  0,5 Rр_исх

Отделочно-упрочняющая обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности, увеличения ее несущей способности и частичного поверхностного упрочнения детали. Это необходимо для повышения износостойкости при граничном трении, контактной жесткости, герметичности и частично усталостной прочности деталей. Процесс отделочно-упрочняющей обработки ППД деталей осуществляется при рабочем давлении, обеспечивающем контактное сближение в пределах 0,5 Rр_исх  у_к  Rр_исх .

Упрочняющая обработка ППД выполняется с целью упрочнения поверхностного слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости при сухом трении и усталостной прочности деталей. При этом происходит полное переформирование исходной шероховатости, вплоть до формирования нового регулярного профиля. Процесс упрочняющей обработки ППД осуществляетcя при у_к > Rр_исх .

Таблица 1

Выбор методов ОУО ППД для деталей малых размеров (менее 100 мм)

Виды поверхностей	Функциональное назначение поверхностей
	Работающие в условиях трения и изнашивания	Воспринимающие статические и динамические нагрузки	Обеспечивающие герметичность
Наружные поверхности вращения	Алмазное выглаживание и виброобработка на отделочно-упрочняющих режимах	Алмазное выглаживание, виброобработка и центробежно-ударная обработка на упрочняющих режимах	Алмазное выглаживание на отделочных режимах
Внутренние поверхности вращения	Раскатывание и калибрование на отделочно-упрочняющих режимах	Раскатывание, калибрование и дорнование на упрочняющих режимах	Раскатывание на отделочных режимах
Плоские поверхности	Алмазное вибровыглаживание и виброобработка на отделочно-упрочняющих режимах	Алмазное вибровыглаживание, виброобработка, центробежно-ударная и импульсная обработка на упрочняющих режимах	Алмазное выглаживание и накатывание шариком на отделочных режимах
Фасонные поверхности	Алмазное выглаживание и виброобработка на отделочно-упрочняющих режимах	Алмазное выглаживание, виброобработка, ударно-импульсная обработка на упрочняющих режимах	Алмазное выглаживание и накатывание шариком на отделочных режимах
Мелкие зубья и шлицы	Формообразующее накатывание и ЭМО	Формообразующее накатывание и виброобработка	Формообразующее накатывание
Наружные мелкие резьбы	Формообразующее накатывание плоскими плашками и роликами, ЭМО	Формообразующее накатывание плоскими плашками и роликами	Формообразующее накатывание плоскими плашками и роликами
Внутренние мелкие резьбы	Формообразующее раскатывание резьбы	Формообразующее раскатывание резьбы и создание гладкорезьбовых соединений	Создание гладкорезьбовых соединений

При выборе приведенного радиуса необходимо учитывать вид обработки. Так, при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке приведенный радиус целесообразно определять, исходя из требуемых и исходных параметров качества поверхностного слоя, максимальной производительности. При этих видах обработки в основном происходит деформация исходных неровностей шероховатости. Наиболее оптимальной для обеспечения уменьшения волнистости, стабильности усилия, повышения производительности представляется ширина контакта не менее 3 Sm (рис. 1).

Тогда величина приведенного радиуса определяется из геометрических соображений по зависимости

1

r = . (1)

Так как при отделочных режимах y_к достигает 0,5 Rp ≈ 0,25 Rz, то выражение (1) после преобразования принимает вид

r = .

При отделочно-упрочняющих режимах y_к достигает Rp ≈ 0,5 Rz, следовательно, выражение (1) принимает вид:

r = .

Учитывая наиболее часто получаемые сочетания Sm и Rz при предварительной лезвийной обработке, получаем следующие диапазоны радиусов: r = 4,5…45 мм – для отделочной обработки; r = 2,25…22,5 мм – для отделочно-упрочняющей обработки. При предварительной абразивной обработке: r = 0,9…6,75 мм – для отделочной обработки;
r = 0,45…3,35 мм – для отделочно-упрочняющей обработки.

Выбор величины приведенного радиуса при упрочняющих режимах обработки в зависимости от характеристик обрабатываемого материала, требуемой степени и глубины упрочнения наиболее полно рассмотрен в работах В.М.Смелянского [3].

Режимы отделочной, отделочно-упрочняющей и упрочняющей обработки для статических методов определяются давлением в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности детали, которое зависит от рабочего усилия P, фактической площади контакта А_ф и твердости материала обрабатываемой детали.

Фактическая площадь контакта при пластических деформациях определяется по уравнению [1]

2

, (2)

где HB – твердость обрабатываемой заготовки.

С учетом исходной шероховатости фактическая площадь контакта будет зависеть от номинальной площади контакта Ан, величин контактных деформаций, которые определяются формируемой относительной длиной профиля шероховатости tp_к :

3

. (3)

Номинальная площадь контакта рабочей части инструмента с обрабатываемой деталью рассчитывается по формуле

4

, (4)

где p_н – номинальное давление в зоне контакта.

Подставляя правую часть формулы (4) в выражение (3) и приравнивая правые части полученного уравнения и уравнения (2), получаем

,

откуда

.

При отделочной обработке tp_к находится в пределах 10…25%, тогда

0,1 HB < p_н < 0,25 HB.

При отделочно-упрочняющей обработке 25 < tp_к < 40%, т.е.

0,25 HB < p_н < 0,4 HB.

При упрочняющей обработке 40 < tp_к < 100%, следовательно,

0,4 HB < p_н < HB.

Рабочие усилия при ОУО ППД определяются по формуле

P = Ан p_н .

Номинальная площадь контакта инструмента и обрабатываемой детали зависит от рабочего усилия, приведенного радиуса контакта, параметров исходной шероховатости поверхности [2].

При динамических методах обработки взаимосвязь между режимами обработки и параметрами инструмента значительно более тесная, чем при статических.

Удельная работа деформации неровностей шероховатости Аду определяется по зависимости

5

Аду = c’ k _T /100, (5)

где подынтегральное выражение определяет относительную опорную длину профиля шероховатости в зависимости от контактного сближения [4]; с’ = 2,87 – коэффициент стеснения; k – степень упрочнения; _T – предел текучести обрабатываемого материала.

С другой стороны, работа, совершаемая инструментом при множестве ударов по единичной площади обрабатываемой поверхности, определяется как сумма энергий всех ударов на этой площади. Принимая, что энергии ударов равны, получаем

6

Аду = Еу m, (6)

где Еу – энергия единичного удара, Дж; m – плотность ударов, мм^-2.

Плотность ударов m связана со средним шагом между отпечатками в продольном (Sz_пр ) и поперечном (Sz_поп ) направлениях:

7

m = (Sz_пр · Sz_поп )^-1 . (7)

Шаг отпечатков, в свою очередь, оказывает влияние на формируемую шероховатость обрабатываемой поверхности. При отсутствии раздельных требований по продольной и поперечной шероховатости для повышения производительности целесообразно принимать Sz_пр = Sz_поп . Наибольшее значение величины Sz при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке может быть определено исходя из того, что коэффициент перекрытия отпечатков, как правило, не менее 2. Размер отпечатка определяем из геометрических соображений (рис. 2):

b = 2.

Подставив Sz_max = b/2 и коэффициент перекрытия в формулу (7), после выполнения некоторых преобразований получим зависимость для минимальной плотности ударов:

8

m = , (8)

где r – приведенный радиус.

По данным литературных источников [3], отношение максимального шага ударов к минимальному обычно достигает 4. При введении коэффициента k_S = 1…4, определяющего, во сколько раз расчетный шаг меньше максимального, в числитель уравнения (8) оно получает вид

m = .

В общем случае энергия единичного удара Еу определяется по зависимости

Еу = k_Э Ек,

где Ек – кинетическая энергия самого инструмента или бойка (в зависимости от схемы формирования удара), зависящая от его массы M и скорости V, Ек = M V²/2; k_Э – доля кинетической энергии, затраченная на процесс пластического деформирования.

Выполнив подстановки и приравняв правые части уравнений (6) и (5), получим зависимость, связывающую параметры обрабатываемой поверхности, инструмента и режимы обработки:

9

= tp(y)dy  c’ k _T /100. (9)

Величина контактного сближения y_к, необходимая для обеспечения заданной шероховатости, определяется исходя из шероховатости, полученной при предшествующей обработке [1; 2; 4; 5].

Учитывая наличие параметров, оказывающих существенное влияние друг на друга, уравнение (9) целесообразно решать с помощью ЭВМ. Кроме того, достаточно сложно учесть различные дополнительные факторы, влияющие на значение того или иного параметра, поэтому при решении уравнения необходим диалог с пользователем.

При упрочняющих режимах обработки шероховатость получаемой поверхности имеет второстепенное значение, а основными параметрами являются глубина и степень упрочнения. Взаимосвязь режимов обработки, параметров обрабатываемой поверхности и инструмента рассмотрена в работе [6].

Для определения степени упрочнения при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке можно воспользоваться зависимостью Мейера, имеющей вид

10

Р = m d_oⁿ (R/R₀)^n-2, (10)

где m – константа Мейера, определяемая свойствами материала и имеющая размерность напряжения (МПа); n – коэффициент, зависящий от пластических свойств материала; d₀ – диаметр отпечатка; R – радиус шарика при испытаниях; R₀ – приведенный радиус сферической части инструмента, для которого определяется степень упрочнения.

Усилие деформирования в соответствии с теорией контактного взаимодействия [1] определяется следующим равенством:

11

Р = c' k _T A_ф, (11)

где A_ф – фактическая площадь контакта [1]; k – степень упрочнения.

Выразив диаметр d_o через площадь отпечатка, а фактическую площадь контакта через характеристики шероховатости и контактное сближение, подставляем их, а также равенство (11) в зависимость (10). Выразив из полученного уравнения степень упрочнения, получаем

.

В табл. 2 приведены рассчитанные в соответствии с предлагаемой методологией режимы статической обработки ППД различных поверхностей деталей с HB 950 МПа и исходной шероховатостью Rz = 6,25 мкм.

Таблица 2

Рабочее усилие, соответствующее различным режимам ППД, Н

So, мм/об	Средний приведенный радиус rпр. ср , мм
	2	5	8	12	15	20	25	30
Отделочные режимы
0,05	-	2,2	3,1	4,3	5,1	06,5	07,8	9
0,10	-	3,1	4,4	6,0	7,1	08,7	10,4	12
0,20	-	-	6,0	8,5	10,00	12,5	14,8	17
0,40	-	-	-	-	-	18,5	20,0	23
Отделочно-упрочняющие режимы
0,05	7,6	15	22	30	36	45	54	63
0,10	10,7	23	31	41	49	61	72	83
0,20	-	29	43	59	70	87	102	117
0,40	-	-	-	-	89	115	140	163
Упрочняющие режимы
0,05	13	26	38	52	62	79	94	109
0,10	19	38	44	72	85	106	125	144
0,20	24	51	75	102	120	150	176	202
0,40	-	62	88	126	156	201	243	282

Как видно из табл. 2, при обработке по мере увеличения подачи растет и усилие, что вызвано увеличением общей ширины следа инструмента. Однако при чрезмерном увеличении подачи при заданном значении радиуса следы могут перестать перекрываться, и на поверхности возникнет спиральная канавка. Очевидно, что такие режимы не пригодны для ОУО ППД, поэтому в табл. 2 значения для них не определялись.

Для приведения любой расчетной схемы к виду «шарик - плоская поверхность» необходимо определить средний приведенный радиус r_пр , который, в свою очередь, зависит от приведенных радиусов контакта в продольном (r_{пр_прод}) и поперечном (r_{пр_поп}) направлениях (относительно скорости обработки). Эти направления обычно совпадают с плоскостями главных кривизн инструмента и обрабатываемой поверхности.

Величина приведенного радиуса r_{пр_прод} (r_{пр_поп}) по соответствующим направлениям определяется геометрией обрабатываемой поверхности и рабочей части инструмента в этих плоскостях:

,

откуда

,

где знак «+» используется, если обрабатываемая поверхность выпуклая (вал, наружная поверхность сферы), «-» – если вогнутая (отверстие); r_{д_прод(поп)} , r_{инс_прод(поп)} – радиусы кривизны обрабатываемой поверхности детали и инструмента соответственно в продольном и поперечном направлениях. Если поверхность детали имеет прямолинейный профиль в продольном или поперечном направлении, то приведенный радиус равен фактическому радиусу инструмента в соответствующем направлении.

Средний приведенный радиус определяется по зависимости

r_пр = ,

где r_{пр_прод} , r _{пр_поп} – продольный и поперечный приведенные радиусы соответственно.

Таким образом, предлагаемая методология позволяет проектировать операции ОУО ППД от выбора предшествующего ППД метода до определения режимов обработки и параметров рабочей части инструментов, охватывая как статические, так и динамические (ударные) методы обработки при всех видах ОУО ППД – от отделочных до упрочняющих.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г.Суслов. – М.:Машиностроение, 2000. – 320 с.
   
2. Инженерия поверхности деталей / под ред. А.Г.Суслова. – М.:Машиностроение, 2008. – 320 с.
   
3. Смелянский, В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием/ В.М.Смелянский. – М.:Машиностроение, 2002. – 300 с.
   
4. Гуров, Р.В. Взаимосвязь режимов обработки и геометрических параметров инструмента с параметрами качества поверхностного слоя при отделочных и отделочно-упрочняющих режимах ОУО ППД/ Р.В.Гуров// Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №8.
   
5. Суслов, А.Г. Проектирование операций отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим деформированием / А.Г.Суслов, Р.В.Гуров // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №3.
   
6. Подольский, М.А. Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе энергетического критерия: автореф. дис…. канд.техн.наук/ М.А. Подольский. – Ростов н/Д, 2005. – 19 с.
   

Материал поступил в редколлегию 18.10.10.