Повышение надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей ВАЗ

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Тольяттинский государственный университет Машиностроительный факультет Кафедра «Технология машиностроения»

Дипломный проект

На тему: «Повышение надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей ВАЗ»

Заведующий кафедры: Драчев О. И. _____________

Руководитель: Бобровский Н. М. _____________

Консультанты:

1. Мурахтанова Н.М._____________

2. Ульянова В.Е. _____________

Рецензент:______________________________________________

Дипломант:

Мельников Павел Анатольевич

2002 г.

Реферат

УДК 621.002.(075)

Мельников П.А.

Дипломный проект на тему: «Повышение надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей ВАЗ» Тольятти, 2002. — 144 с., ил.

Ключевые слова: манжетное уплотнение, математическое моделирование, трибологическая система, технологическое управление качеством, поверхностно-пластическое деформирование, микрорельеф, система автоматического проектирования.

Целью дипломного проекта является анализ проблемы дефекта на АО «АвтоВАЗ» — течь в сальниковое уплотнение, представлено решение данной проблемы. В работе рассмотрены прогрессивные конструкции манжет — и перспектива их применения для снижения уровня дефектов в автомобилях АО «АвтоВАЗ». Проанализирован результат внедрения в качестве финишной обработки сальниковых шеек коленчатого вала 2112−1 005 020 метод ППД — выглаживанием широким самоустанавливающимся инструментом. Разработан алгоритм расчета геометрии поверхности при отделочно-упрочняющей обработке и на персональном компьютере была создана программа для расчета микрорельефа.

• Введение
• 1. Анализ способов повышения надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей
• 1.1 Литературный обзор по манжетным уплотнениям

1.2 Разработка способа обработки для нанесения микрорельефа на сальниковые шейки деталей ВАЗ

• 2. Качество и эксплутационные свойства деталей, обработанных ППД
• 2.1 Анализ микрогеометрии поверхности, обработанной ППД
• 2.2 Анализ влияния создаваемых микрорельефов при обработке ППД на качество работы уплотнительных узлов
• 2.3 Факторы, обеспечивающие возникновение остаточных напряжений сжатия и повышение микротвердости поверхности, обработанных ППД
• 3.1 Выявление зависимости между основными параметрами обработки и качеством обработанной поверхности по критерию шероховатости
• 3.2 Экспериментальные исследования изменения микротвердости в приповерхностном слое обработанной детали
• 3.3 Испытания инструментов на стойкость при широком выглаживании
• 4. Разработка математической модели отделочно-упрочняющей обработки, наносящей микрорельеф на поверхность шеек валов.
• 4.1 Создание математической модели геометрического построения микрорельефа обработанной поверхности
• 4.1.2 Алгоритм для расчета нескольких оборотов детали
• 4.1.3 Алгоритм расчета с учетом многоинструментальной обработки
• 4.2 Внесение в математическую модель изменений, для учета физико-механических параметров обработки
• 4.3 Визуализация выходных данных математической модели
• 5. Анализ результатов математического моделирования
• 5.1 Выявление корреляционной связи между параметрами и показателями обработки
• 6. Разработка технического задания на приспособление для нанесения микрорельефа в массовом производстве
• 7. Безопасность и экологичность проекта
• 7.1 Описание операции и рабочего места
• 7.2 Описание основных вредных производственных факторов, имеющих место на полировальных операциях
• 7.3 Вывод по разделу
• 8. Экономическая эффективность проекта
• Список литературы

После ряда финансовых потрясений, прошедших в Российской Федерации, лимитирующая часть машиностроительного производства была практически парализована. Поступление средств от машиностроительных предприятий в Государственный бюджет сократилась в несколько раз. Вследствие интеграции Российского рынка с мировым, неконкурентоспособная продукция наших заводов была частично вытеснена с внешнего и внутреннего рынков. В результате чего многие предприятия вообще не смогли вписаться в новые экономические условия, и фактически были признаны банкротами.

В то время когда, отечественная наукоемкая промышленность, погруженная в рыночные реформы, фактически прекратили поступательное развитие, лидеры мирового сообщества как минимум дважды обновили свои технологии машиностроительного производства. Они усиленно развивают информационные технологии и технологии управлении производственными процессами. В настоящее время придерживаются идеологии достижения технологического превосходства, которая предполагает использование инновационных технологий, реинжениринга, формирования рынка интеллектуальной собственности.

Главная проблема, которую сформулировал Президент в своем Послании Федеральному собранию (апрель 2001 г.), — это гигантское (в десятки раз) рыночное нашей промышленности от уровня, достигнутого передовыми странами. Это отставание чревато тяжелыми последствиями.

Следует отметить, что в РФ сосредоточены сотни НИИ, способные поддерживать конкурентоспособное производство, но за частую большинство научных разработок так и осталось не реализовано материально. Согласно ранее проведенным реформам предполагалось, что если предприятиям федерального подчинения дать свободу, то они быстро втянуться в рынок, однако на практике этого не произошло. Поэтому нынешнее правительство РФ взяло курс на создание более эффективного организационного обеспечения развития промышленности.

В настоящее время в народном хозяйстве наблюдается некоторая стабилизация и поиск новых организационных форм управления, позволяющих повысить эффективность производства. Поэтому первоочередная задача отечественных предприятий состоит в том, чтобы доказать обществу свою необходимость, показать, что без этих предприятий, дальнейшее развитие общества невозможно, а для этого необходимо разработать теоретическую базу рынка, основанное на достижении технологического превосходства и представить её в такой форме, чтобы она была доступна для восприятия широкой общественностью.

Целью данной научной работы является анализ эффективности интеграции научных исследований, направленных на создания конкурентоспособной продукции, и производства. В частности была затронута проблема обеспечения качества наружных цилиндрических поверхностей нанесением микрорельефа методом поверхностно-пластического деформирования, в процессе решения которой использовались элементы математического моделирования с применением вычислительной техники.

• 1. Анализ способов повышения надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей
• 1.1 Литературный обзор по манжетным уплотнениям

Одним из путей повышения работоспособности манжетных уплотнений, применяемом в мировой практике, является обработка поверхности вала под сальниковые шейки методами поверхностного пластического деформирования (ППД). Отделочно-упрочняющая обработка методами ППД позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики деталей. Наиболее простыми для практической реализации методами ППД являются алмазное выглаживание и обкатывание. При выглаживании инструмент взаимодействует с обрабатываемой поверхностью в условиях трения скольжения, при обкатывании в условиях трения качения. Несмотря на то, что при обкатывании шариками или роликами имеет место качение с проскальзыванием, а при алмазном выглаживании — скольжение, между ними имеется сходство как в механизме образования микропрофиля и характере деформации поверхностного слоя, так и в соотношении действующих сил и коэффициентов трения. Это сходство позволяет установить некоторые общие закономерности для обоих процессов, на основе чего могут быть установлены рациональные области их применения и оптимальные режимы обработки. Процесс обработки ППД идет без снятия стружки: радиально вытесняются объемы материала с вершин микронеровностей в глубину поверхностного слоя. Материал течет от диапазонов высоких напряжений сжатия (вершины) в зоны более незначительных напряжений и наполняет при этом впадины микронеровностей обрабатываемой поверхности. Этот процесс показан на рисунке 1.15. В результате обработки, на поверхности образуется микрорельеф без заостренных выступов, и процесс приработки пары манжета-вал протекает значительно быстрей.

Процесс алмазного выглаживания кинематически аналогичен точению, только вместо резца применяется алмазный выглаживатель, который, пластически деформируя поверхностный слой, выравнивает и упрочняет его. Классическое устройство для выглаживания (см. рис. 1.16.) содержит корпус 4 из конструкционной стали, в который вставлены два поршня 2 и 5 с уплотнительными кольцами 3. Поршень 2 связан непосредственно с инструментом 1, рабочая поверхность которого изготовлена из алмаза. Положение поршня 5 фиксируется рукояткой 6. Фиксатор 8 ограничивает ход поршня 2. Манометр 7 контролирует давление рабочей среды.

Устройство работает следующим образом: обрабатываемой заготовке 9 сообщают вращательное движение, устройство подводят к обрабатываемой поверхности. Вращением рукоятки 6 перемещают поршень 5, нагнетая давление в рабочей камере корпуса 4, величина которого контролируется манометром 7. Параллельно перемещается поршень 2 в сторону обрабатываемой детали до прикосновения, при этом увеличивается прижимная сила, величина которой прямо пропорциональна величине давления в рабочей камере. При достижении требуемой силы прижатия инструмента 1 к обрабатываемой детали вращения маховика 6 прекращают, и устройству придают поступательное движение параллельно оси вращения.

Рис. 1.16. Устройство для выглаживания Шероховатость поверхности заготовки после алмазного выглаживания может быть уменьшена приблизительно в десять раз. Упрочнение проявляется в приросте микротвердости поверхности для незакаленных сталей на 30…50%, для закаленных на 10…30%. В поверхностном слое формируется благоприятные для эксплуатационных свойств остаточные напряжения сжатия [7, 29]. Таким образом поверхность получается более гладкой, чем при полировании Rа_выглаж=0,08…0,32 мкм.

Но как была сказано вначале данного раздела, гладкая поверхность не совсем идеальна для работы в паре с манжетой, так как в процессе работы будет повышена адгезионная составляющая силы трения. В процессе обработки на поверхности вала должен формироваться определенный микрорельеф, позволяющий создавать эффект гидродинамического трения.

Ю.Г. Шнейдер провел комплекс работ [35], направленных на повышение герметичности работы манжетных уплотнений путем нанесения на вал определенного микрорельефа методами ППД. На рис. 1.17. показана схема обработки, позволяющей наносить на подманжетную шейку вала микрорельеф в виде синусоидальных канавок.

Рис. 1.17. Схема нанесения микрорельефа по Ю. Г. Шнейдеру Обработка осуществляется также, как и при обработке устройством, показанным на рис. 1.16, но в процессе обработки инструменту (индентору) придают колебательные движения в направлении подачи. Испытания, выполненные на машине СМЦ-2, подтвердили повышение надежности работы манжетных уплотнений, работающих в паре с шейками валов, обработанных данным способом (результаты исследований приведены в следующей главе).

Для увеличения эффективности возникающего при работе гидродинамического эффекта было разработано новое устройство для вибровыглаживания, позволяющее наносить регулярный микрорельеф, отличный от предыдущего. На рис. 1.18 представлены два вида разработанного устройства. На рис. 1.19 показан третий вид. На рис. 1.21,а показан вид рельефа образуемого при помощи разработанного устройства, на рис. 1.21,б — рельеф, образуемый при использовании обычных устройств.

Устройство для вибровыглаживания содержит корпус 1, с размещенным в нем штоком 2, на котором установлена скоба 3 с двумя прикрепленными к ней параллельными упругими пластинами 4. Между пластинами 4 размещена державка 5, несущая инструмент 6. Скоба 3 закреплена на штоке с помощью болта 7 с возможностью разворота относительно оси штока, на котором размещена шпонка 8, препятствующая его развороту в отверстии корпуса. Колебания инструмента осуществляются с помощью привода, включающего электродвигатель 9, эксцентрик 10, воздействующий на рычаг 11. Скобу 3 разворачивают относительно оси штока на угол, образуемый между опорной плоскостью державки корпуса устройства и плоскостью упругой пластины (рис. 1.19).

Рис. 1.18. Схема устройства для вибровыглаживания (а) и известного (б) способов вибровыглаживания Рис. 1.19. Форма микрорельефа, образуемого при использовании нового В процессе обработки детали 12 задают вращение, а устройство, корпус которого закрепляют в резцедержателе токарного станка, поступательно перемещают в направлении подачи вдоль оси детали. При этом инструменту 6 задают колебательное движение под углом к образующей линии детали. Образуемый рельеф представляет собой наклонную к образующей линии детали синусоиду (рис. 1.20,а), в отличии от обычного рельефа в виде симметричной синусоиды (рис. 1.20, б, рис. 1.17). Такой рельеф, как известно, способствует проявлению насосного эффекта, за счет чего смазка удерживается в сопряжении и возвращается в герметизируемую полость.

Однако алмазное выглаживание не подучило достаточно широкого соответствующего эффективности процесса использования в машиностроении. Это обусловлено в частности недостаточным уровнем исследований процесса. В научно-технической литературе отсутствуют удобные для практического использования формулы по расчету оптимальных режимов обработки, не представлены универсальные зависимости, связывающие режимы обработки с выходными параметрами качества поверхности изделия. Также, следует отметить, что предложенные методы менее производительны, чем традиционно принятые — шлифование, полирование при которых процесс обработки осуществляется без продольной подачи, благодаря тому, что ширина инструмента перекрывает всю зону обработки.

Рис. 1.20. Форма микрорельефа, образуемого при использовании нового (а) и известного (б) способов вибровыглаживания Задача существенного повышения производительности обработки при выглаживании подманжетных шеек шпинделей решена путем разработки нового способа обработки цилиндрическим инструментом из композита или твердого сплава с длиной рабочей поверхности 15…20 мм. Способ предусматривает установку оси цилиндрической поверхности инструмента параллельно оси заготовки. Обработка ведется без продольной подачи путем охвата инструментам всей длины обрабатываемой поверхности.

При разработке конструкции инструмента решалась задача точного прилегания инструмента по всей длине обрабатываемой поверхности. Эта задача решена путем шарнирной установки инструмента. Инструмент устанавливается параллельно оси заготовки. На рис. 1.21. представлена конструкция выглаживающей головки, позволяющей обеспечить такую установку. Инструмент, который содержит выглаживающий элемент 1 и несущую ее державку 2 с отверстием, с помощью пальца 3 шарнирно устанавливается на скобе 4, которая закрепляется на оправке для выглаживания. С учетом применения различных материалов рабочей части выглаживающего элемента были разработаны два типа инструментов, отличающиеся типом крепления выглаживающего элемента: с паянным и механическим креплением.

Данная конструкция выглаживающей головки позволяет за счет шарнирной установки инструмента обеспечивать его самоустановку относительно обрабатываемой поверхности.

На рис 1.21, а представлена конструкция инструмента с паянным креплением выглаживающего элемента 1 к державке 2. На рис. 1.21,б представлена конструкция инструмента с механическим креплением выглаживающего инструмента. В этом случае выглаживающий элемент 1 крепится к державке 2, имеющей разрезную форму с помощью болтового соединения 3.

Рис. 1.20. Схема крепления широкого самоустанавливающегося инструмента

а) б) Рис. 1.21. Схемы широких самоустанавливающихся инструментов:

а) с паянным креплением выглаживающего элемента;

б) с механическим креплением На рис. 1.22. показан внешний вид широких самоустанавливающихся выглаживателей (а — с механическим креплением, б — с паянным креплением).

а) б) Рис. 1.22. Широкие самоустанавливающиеся инструменты:

а) с механическим креплением;

б) с паянным креплением выглаживающего элемента.

Для выполнения обработки детали широким самоустанавливающимся выглаживателем достаточно совершить 3−5 оборотов. Учитывая это обстоятельство, можно рассчитать степень повышения производительности обработки при использовании нового способа по сравнению с обычным выглаживанием.

Число оборотов, которое совершает деталь при обычном выглаживании составляет:

(1.4)

где l — длина обрабатываемой поверхности, измеренная вдоль оси заготовки, S — величина продольной подачи на оборот заготовки.

Коэффициент, показывающий степень увеличения производительности:

(1.5)

где n₂ — число оборотов детали при обработке по новому способу.

Приняв l = 15 мм, S = 0,07 мм/об, n₂ = 3, получим К_П = 71. Таким образом при использовании предложенного способа выглаживания производительность может быть повышена в десятки раз, что позволяет внедрять его в массовое производство.

Разработанная конструкция устройства позволяет обеспечить самоустановку инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность способа не только в отношении производительности, но и в отношении качества обработки. При обычном выглаживании обработанная поверхность имеет характер резьбы. Профиль такой поверхности образуется пересечением радиусных следов инструмента, в результате чего формируются неровности с шагом, равным подаче на оборот. Формирование поверхности по новому способу осуществляется по методу копирования, что исключает упомянутые недостатки обычного выглаживания. Эксперименты показали, что по параметру Ra шероховатость поверхности, обработанной по новому способу, оказалась в 1,5…2 раза ниже чем, при выглаживании с продольной подачей. Так же следует отметить, что из-за значительного снижения пути, проходимого инструментом в процессе обработки при новом способе, в качестве рабочей части выглаживателя можно применять менее стойкие и менее дешевые материалы, чем алмаз (композит, твердые сплавы).

Процесс выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом сальниковых шеек коленчатых валов был внедрен в Механосборочное производство ОАО «АвтоВАЗ». Был модернизирован полировальный станок фирмы «Нагель» (код 012.071.32), в результате чего были заменены рычаги для прижатия полировальной ленты к обрабатываемой поверхности, на рычаги для прижатия выглаживателей (см. рис. 1.23).

Рис. 1.23. Схема обработки широкими самоустанавливающимися выглаживателями Обработка сразу двумя инструментами дает ряд преимуществ:

позволяет в двое сократить время обработки (при обработке сальниковых шеек на ВАЗе данным способом необходимая шероховатость Ra=0,2…0,4 достигалась за 1…2 оборота детали) соосные силы (Р=16…12 кН), действующие от инструментов на обрабатываемую деталь, компенсируются и предотвращают деформацию заготовки.

1.2 Разработка способа обработки для нанесения микрорельефа на сальниковые шейки деталей ВАЗ

Проанализировав требования, предъявляемые к поверхности вала под манжетное уплотнение (см. п. 1.2.) предлагается новый метод обработки — выглаживание широким самоустанавливающимся инструментом с наложением колебаний. Данный метод обработки схематично изображено на рис. 1.24.

Сущность данного метода обработки заключается в следующем: цилиндрический инструмент (выглаживатель) 2, длина образующей которого больше ширины обрабатываемой поверхности, поджимают с постоянной силой к обрабатываемой детали 1, и его ось качают вокруг оси, проходящей по нормали к обрабатываемой поверхности через центр пятна контакта, а детали придают вращательное движение.

Рис. 1.24. Способ отделочно-упрочняющей обработки широким самоустанавливающимся инструментом

В отличие от ранее предложенного способа широкого выглаживания (см. пункт 1.2), колебания инструмента по предложенной схеме дает ряд преимуществ: решается проблема возникновения погрешности при установе (тяжело установить инструмент точно параллельно горизонтали), потому что при колебании инструмент обязательно будет находится в определенный момент в горизонтальном положении, решается проблема образования большой волны перед инструментом, а также на поверхности вала образуется микрорельеф в виде наклонных к оси деталей канавок, глубина которых увеличивается от периферии обработанной поверхности к центру пятна контакта инструмента и детали в процессе обработки. Данный способ наряду с упрочнением реализует эффект гидродинамического трения, что повышает износостойкость уплотнительных узлов, а также в месте контакта манжеты и вала будет создаваться гидронапор в сторону герметизирующей полости, который снижает давление рабочей среды на кромку манжеты и «вымывает» частицы износа и абразива из зоны контакта манжеты с валом см. рис. 1.25.

Рис. 1.25. Схема работы полученного микрорельефа в процессе эксплуптации Так как обработка производится широкими выглаживателями, данный метод имеет высокую производительность и может использоваться в массовом производстве. При этом процесс обработки может производится не одним, а несколькими инструментами, которые могут располагаться как равномерно так и неравномерно по окружности обрабатываемой детали, могут работать синхронно или асинхронно друг относительно друга. В зависимости от этих факторов на поверхности будет формироваться определенный микрорельеф, практическая реализация всевозможных схем выглаживания для оценки получаемого рельефа в условия производства имеет очевидную экономическую невыгоду, поэтому гораздо целесообразнее заранее аналитически предсказать, какой микрорельеф сформируется на обработанной поверхности, такой подход решения поставленной задачи способна реализовать современная вычислительная техника. Поэтому в последующих главах будет разработана математическая модель, реализовав которую на компьютере, появится возможность моделировать процесс обработки вне условиях производства.

2. Качество и эксплутационные свойства деталей, обработанных ППД

2.1 Анализ микрогеометрии поверхности, обработанной ППД

Микрогеометрия поверхности оказывает большое влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. При снижении шероховатости растет предел выносливости, износостойкость и сопротивляемость поверхностному выкрашиванию. Исследованием качества обрабатываемой поверхности, а также вопросами конструкции и технологии обработки методами ППД посвящены работы П. Г. Алексеева, М. А. Балтер, В. А. Белова, В. М. Браславсого, Е. Г. Коновалова и В. А. Сидеренко, И. В. Кудрявцева, А. А. Маталина, Д. Д. Папшева, Ю. Г. Проскурякова, Л. М. Школьника и В. И. Шахова, Ю. Г. Шнейдера и др.

В настоящее время известны многие качественные зависимости между условиями и результатами обработки ППД. Э. В. Рыжков в своих работах попытался проанализировать и обобщить труды вышеперечисленных ученых и выяснить какое влияние оказывает наиболее существенные параметры (сила деформирования, продольная подача, число проходов) обработки ППД на несущую способность поверхности. В результате выяснилось следующее:

По мере увеличения силы деформирования профиля на снижение исходных микронеровностей все большее относительное значение оказывает шероховатость инструмента, которая копируется на обрабатываемой поверхности. Соответствующие профилограммы приведены на рис. 2.1.

Исходная шероховатость инструмента определяет начальный участок кривой опорной поверхности обкатанной детали, причем в зависимости от соотношения шероховатостей инструмента и окончательно обработанной поверхности этот участок может иметь большую или меньшую протяженность. Процесс изменения кривой показан на рис 2.2 (кривые изображены в логарифмитических координатах). Достаточно четко различимы два участка, границей между которыми является линия А-А. Профиль опорной кривой слева определяет параметрами шероховатости инструмента, справа — исходными характеристиками качества поверхности и режимами ППД. По мере роста силы деформирования все большее относительное значение приобретает шероховатость индентора и, начиная с определенного момента, полностью определяет шероховатость поверхности обработанной детали.

Рис. 2.1. Типовые профилограммы микронеровностей после отделочно-упрочняющей обработки в зависимости от сил деформирования:

a — P = 0; б — P = 60 кГс; в — P = 200 кГс; г — P = 300 кГс При алмазном выглаживании с продольной подачей обработанная поверхность имеет характер резьбы. Профиль такой поверхности образуется пересечением радиусных следов инструмента, в результате чего формируются неровности с шагом, равным подаче на оборот. Поэтому уменьшение продольной подачи приводит к снижению обработанной поверхности.

Увеличения числа проходов (при обычном выглаживании) или числа циклов нагружения (при широком выглаживании) приводит к снижению шероховатости, однако сочетание больших усилий и количеств циклов нагружений (числа проходов) приводит к исчерпанию резерва пластичности материала и появлению дефектного слоя, что визуально определяется как «отшелушивание» на поверхности детали.

Рис. 2.2. Кривые относительной опорной длины профиля в зависимости от сил деформирования Р при отделочно-упрочняющей обработке:

a — P = 0; б — P = 60 кГс; в — P = 200 кГс; г — P = 300 кГс Однако графические и экспериментальные зависимости недостаточно удобны при разработке технологических процессов, особенно, если при этом используют ЭВМ. Поэтоуму существует ряд аналитических зависимостей, определяющие исходную связь между параметрами и показателями обработки ППД [1, 3, 13].

2.2 Анализ влияния создаваемых микрорельефов при обработке ППД на качество работы уплотнительных узлов

В предыдущей главе был рассмотрен способ вибровыглаживания, предложенный Ю. Г. Шнейдором (см. рис. 1.16). Для оценки эффективности нанесения микрорельефа на подманжетные шейки валов данным способом был проведен ряд экспериментов [35]: уплотнительные пары вращательного движения монтировались на испытательном стенде из резиновых манжет типа УМА и сталь. И закаленных подманжетных втулок (50 HRC₃), шлифованных до Ra = 0,32 мкм с последующим хромированием, а также вибровыглаженных с различными микрорельефами (см. рис. 1.19). Усилие пружин в манжетах составляло 11−12 Н. В испытательную камеру подавалось масло индустриальное 45 под давлением 0,4 МПа. Подманжетные втулки прирабатывались на стенде в течение 40 ч; стендовые испытания длились 160 ч. при восьмичасовой сменности. Герметичность характеризовалась величиной утечек масла через уплотнения.

При исследовании контактного взаимодействия сопряжения манжеты с валом было установлено, что оно характеризуется толщиной разделительной смазочной пленки, гидроплотностью, коэффициентом трения и температурой рабочей кромки манжеты. Проверка теоретических формул была проведена с одновременной регистрацией на осциллографической пленке скорости скольжения, силы трения, температуры масла и рабочей кромки манжеты, толщины смазочной пленки в диапазонах скоростей 0,1—20м/с, контактных давлений 0,3—2,0 МПа, температур рабочей кромки 80—160°С.

Контакт манжеты с вибровыглаженным валом характеризуется во всем диапазоне скоростей и давлений образованием стабильной разделительной смазочной пленки и циркуляцией масла в зазоре, уменьшенной тепловой и механической напряженностью, отсутствием крутильных колебаний рабочей кромки.

Сколь существенно влияние микрорельефа рабочей поверхности металлического контртела на гидроплотность и износостойкость соединения можно видеть из примеров на рис. 2.3. Объем утечки смазки в зависимости от микрорельефа вибровыглажанных подманжетных втулок изменялся от 39 до 310,5 см⁸, однако во всех случаях был меньшим, чем у пар со шлифованной и хромированной втулками (V = 357,5 см³). При этом была выявлена несостоятельность практики нормирования лишь высоты неровностей рабочих поверхностей металлического контртела. Несравнимо большее значение имеет форма микронеровностей и их расположение. Пары со шлифованными до Ra = 0,32 мкм втулками были наименее герметичными (V = 337,5 см³), в то время как вибровыглаживание с Ra = 2,5 мкм обеспечили наилучшую герметичность (V = 39 см³). Характерно, что пары с наилучшей герметичностью оказались и наиболее износостойкими. По-видимому, образующийся при вибровыглаживании микрорельеф с неровностями относительно большей высоты (Ra = 10 мкм) по сравнению со шлифованием (Ra = 1,88 мкм), а также пологой формой (r = 2580 мкм, при шлифовании s = 39,4 мкм) и с большим шагом (s = 712 мкм, при шлифовании s = 0,021 мм) благоприятен не только в отношении сопротивления износу, но и обеспечения герметичности.

В этом случае резина «затекает» во впадины микрорельефа, заполняя его и предотвращая тем самым протекание масла. Немаловажное значение имеет и лабиринтный характер взаиморасположения выступов и впадин поверхности образующейся при вибровыглаживании.

Рис. 2.3. Зависимость величины накопленных утечек V от длительности t испытаний уплотнительной пары вращательного движения; подманжетные втулки обработаны: 1 — шлифованием; 2−4 — вибронакатывание Таким образом, оптимизация микрорельефа рабочих поверхностей металлических деталей гидроуплотнительных пар является радикальным средством повышения их герметичности.

2.3 Факторы, обеспечивающие возникновение остаточных напряжений сжатия и повышение микротвердости поверхности, обработанных ППД

Долговечность работы подманжетной шейки вала во многом зависит от величины остаточных напряжений, глубины и степени упрочнения поверхностного слоя. Поэтому определение этих физико-механических параметров является важной задачей при проектировании технологии изготовления конкретных деталей.

Упрочнение поверхностного слоя детали при различных видах обработки зависит от силового и температурного факторов. Так как в работе Коршунова В. Я. [16, 18] рассматривается процесс упрочнения, связанный с технологией поверхностного пластического деформирования (ППД), который характеризуется сравнительно малыми температурами (100—150°С), основное внимание уделено действию силового фактора.

При пластической деформации происходит раздробление кристаллов на фрагменты и блоки с большими искажениями кристаллической решетки на их границах. Границы фрагментов и блоков служат препятствием для сдвиговой деформации, и с увеличением количества фрагментов и блоков соответственно возрастает и число границ, около которых задерживаются дислокации. Увеличение степени разориентировки фрагментов и блоков дополнительно повышает сопротивление границ прохождению через них дислокаций, что также увеличивает сопротивление деформированию. Это является основной причиной упрочнения металлов при пластической деформации.

Эффективность упрочнения алмазным выглаживанием во многом зависит от правильного выбора основных его параметров. Рекомендуемый радиус сферы связан с твердостью выглаживаемой поверхности. При выглаживании стальных закаленных деталей этот радиус не должен превышать 1,5 мм. Для деталей, твердость которых меньше и лежит в пределах HRC 35…50, радиус R выглаживателя должен составлять 1,5 — 2,5 мм. Для других сталей и цветных сплавов радиус может быть увеличен до 2,5 — 3 мм.

При увеличении подачи сокращается число повторных деформаций, что должно вызвать снижение поверхностной твердости. Однако при обкатывании закаленных сталей шаром диаметром 5 — 10 мм подача изменяется от 0,06 до 0,12 мм/об, а при выглаживании алмазом с радиусом сферы 1,0 — 2,5 мм подача изменяется от 0,03 до 0,09 мм/об, что мало влияет на эффективность упрочнения. Дальнейшее увеличение подачи уменьшает повышение твердости. Это особенно заметно при обкатывании шаром диаметром 5 мм с подачей 0,3 мм/об и при алмазном выглаживании (R = 2 мм) с подачей 0,13 мм/об. Влияние подачи существенно зависит от размеров текущего очага деформации, определяемого контактным давлением, свойствами материала и размерами деформирующего инструмента. с уменьшением текущего очага деформации, происходящего при снижении давления, с повышением твердости материала и с уменьшением размеров инструмента влияние подачи возрастает и при ее увеличении прирост поверхностной твердости заметно снижается. В частности, уменьшением очага деформации при обработке закаленных сталей объясняется и более сильное влияние подачи на поверхностную твердость по сравнению с ее влиянием при обработке мягких сталей.

При увеличении рабочих ходов (числа циклов нагружения при широком выгдаживании) соответственно возрастает количество повторных деформаций, приводящих к изменению поверхностной твердости. Однако влияние дополнительных рабочих ходов следует рассматривать с учетом давления и подачи. Если давление ниже оптимального, то повторные рабочие ходы (до определенного числа) повышают поверхностную твердость. При этом допустимое, с точки зрения упрочнения, число рабочих ходов тем больше, тем ниже давление. При оптимальном давлении уже после второго-третьего рабочего хода прекращается повышение твердости.

Изменение скорости обработки от низких значений до 200 м/мин не оказывает существенного влияния на увеличение поверхностной твердости. Поэтому распространено мнение, что эффективность упрочнения не зависит от скорости. Действительно, при увеличении скорости от 8 — 12 до 160 — 180 м/мин прирост твердости оказался незначительным. Однако наиболее важным является изменение градиента наклепа. С увеличением скорости градиент наклепа растет, а глубина имеет тенденцию к снижению.

Процесс упрочнения деталей ППД влечет за собой упруго-пластическое деформирование поверхностного слоя. Поэтому необходимым требованием упрочнения является способность поверхностного слоя обладать определенными упругими и пластическими характеристиками. Материалы, имеющие хорошую пластичность (свинец, цинк и др.), в результате деформации получают наклеп, но сколь-нибудь заметных остаточных напряжений (об остаточных напряжениях см. ниже) в поверхностном слое создать не удается. И наоборот, материалы, обладающие высокой упругостью при малой пастичности (стекло, частично чугун, резина и др.), невозможно упрочнять поверхностным наклепом.

На рис. 2.4, где показаны изменения прочностных характеристик материала в зависимости от степени наклепа. Заштрихованная площадь М является областью возможного наклепа. В точке, А наступает так называемый перенаклеп (начинается шелушение и отслаивание поверхностного наклепанного слоя), когда материал исчерпывает свои пластические свойства и начинается разупрочнение.

Расчетное определение глубины наклепанного при ППД слоя для материала с однородной структурой по сечению детали производится по следующим уравнениям [24]:

;

где ;

где; ;

где;

где Р — усилие при ППД; _S - предел текучести упрочняемого материала; R - приведенный радиус кривизны в месте контакта; D_П - приведенный диаметр;, А - коэффициенты, учитывающие кривизну инструмента и детали; Н - твердость по Бринеллю; D - диаметр шарика; Е — модуль упругости, R₁, R₂ - радиусы сопряженных цилиндров; К - коэффициент, учитывающий влияние размеров детали и обрабатываемого материала; F - площадь контакта.

Рис. 2.4. Диаграмма влияния степени наклепа на прочностные характеристики детали

3. Экспериментальные исследования процесса обработки выглаживанием широким самоустанавливающимся инструментом

3.1 Выявление зависимости между основными параметрами обработки и качеством обработанной поверхности по критерию шероховатости

Для оценки эффективности способа обработки выглыжаванием шиорким самоустанавливающимся инструментом (см. рис. 1.20−1.23) была отобрана партия коленчатых валов 2112−1 005 020 в количестве 5 шт. из высокопрочного чугуна ВЧ75−50−03 с твердостью обрабатываемых поверхностей 45HRC, взятых после окончательного шлифования, и обработана данным способом на модернизированном станке механосборочного производства ОАО «АвтоВАЗ» фирмы «Нагель» 30.012.724.32. Обработке подверглись шейки коленчатого вала под манжетное уплотнение (28 мм и 80 мм) при частоте вращения заготовки 100 об/мин. Обработанные поверхности подверглись замерам на шероховатость и некруглость в метрологическом зале корпуса 15/2 МСП (замер шероховатости осуществлялся на профилометре-профилографе Perthen SI0 D (зав. № 6564), замер на некруглость — Талиценте Taylor-Hobson (зав. № 112/1322−217А)) результаты измерений представлены в таблице 3.1 и приложении 1. В результате обработки была достигнута шероховатость, находящаяся в пределах поля допуска технических требований на данные поверхности по чертежу детали: Ra 0.2…0.4 мкм. Остальные технические требования к обрабатываемым поверхностям также находятся в рамках, заданных конструктором на чертеже.

Для нахождения оптимальных параметров предложенный метод обработки был проведен в производственных условиях двухфакторный многоуровневый эксперимент (5²). При обработке полученных данных при проведении эксперимента были найдены оптимальные параметры обработки процесса (при выглаживании шейки 28 мм оптимальной силой прижатия инструментов является F=6350 Н, число совершаемых оборотов детали в процессе обработки N=8; при обработки шейки 80 мм — F=9000 Н, N=6). Также была получена полиномиальная зависимость влияния основных параметров обработки (F, N) на шероховатость обработанной поверхности:

при обработке шейки 28 мм:

а при обработке шейки 80 мм:

где F — нагрузка, прикладываемая к каждому инструменту, Н (X₁); N — число совершаемых оборотов детали в процессе обработки, об (X₂).

Более подробные результаты эксперимента представлены в [4, 34].

Таблица 3.1

Результаты замеров обработанных поверхностей

3.2 Экспериментальные исследования изменения микротвердости в приповерхностном слое обработанной детали

Для исследования изменения микротвердости приповерхностном слое шеек коленчатого вала обработанных широким выглаживанием были отобраны валы, сальниковые шейки которых обработанны при следующих режимах: 80 мм — сила прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности 12 000 Н, за время обработки было совершено 3 оборота детали; 28 мм — сила прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности 8900 Н, за время обработки было совершено 3 оборота детали. Замеры микротвердости осуществлялись на микротвердомере ПМТ-3. Результаты измерений представлены на рис. 3.2.

Таблица 3.2

Распределение микротвердости в приповерхностном слое детали, обработанной широким выглаживанием

Из таблицы 3.2. видно что обработка выглаживанием дает прирост твердости на поверхности в 2…3 раза, при том, упрочнение шейки 28 мм происходит более эффективно, это связано с тем, что скорость обработки данной шейки меньше, чем при обработке шейки 80 мм (вопрос о влиянии скорости выглаживания на прирост твердости обработанной поверхности рассмотрен в п. 2.3).

3.3 Испытания инструментов на стойкость при широком выглаживании

Для широкого внедрения процесса выглаживания массовое в производство важно изыскать более дешевые и легко обрабатываемые инструментальные материалы. Инструментом для классического (с продольной подачей) выглаживания является алмаз (около ѕ карата) с тщательно доведенной рабочей сферической частью (радиус сферы 1,2 — 1,3 мм). Он вдавливается в обрабатываемую поверхность и при перемещении вдоль нее улучшает чистоту поверхности за счет пластического течения металла, а также упрочняет поверхностный слой детали. Алмаз отличается высокой стойкостью, однако, его экономически нецелесообразно использовать при изготовлении широких выглаживатель, так как он очень дорог, а затраты на инструментальный материал при изготовлении широких выглаживателей гораздо больше, чем при изготовлении классических.

Для этого был проанализирован ряд инструментальных материалов: титанокобальтовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, вольфрамокобальтовые — ВК2, ВК3М, ВК4, ВК6М, ВК8 и титанотанталокобальтовые свердые сплавы — ТТ10К8А, ТТ10К8Б, минералокерамика ЦМ-332. С точки зрения доступности и распространенности особый интерес представляют такие сплавы как: Т14К8, Т30К4, ВК8, ВК6. Был проведен ряд экспериментов на стойкость данных материалов, который выявил, что наиболее экономически эффективно применять в качества инструментального материала при изготовлении широких выглаживателей вольфрамокобальтовые твердые сплавы ВК8, ВК6. Титанокобальтовые сплавы обладает несколько большей износостойкостью, чем вольфрамокобальтовые, однако они и более хрупкие в результате чего чаще подвергались разрушению («подвергались выкрашиванию»), в то время как вольфрамокобальтовые сплавы стояли до полного износа и после доводки алмазной пастой могли использоваться повторно.

Сплав ВК8 на данный момент времени используется в качестве основного материала при изготовлении широких выглаживателей и был использован для проведения стойкостных испытаний в производственных условиях. Испытания на стойкость проводились при следующих условиях:

обработке подвергались сальниковые шейки коленчатого вала 2112−1 005 020 (см. п. 3.1.);

параметры обработки — сила прижатия каждого инструмента к обрабатываемой поверхности 8000 Н, за время обработки совершалось 3 оборота детали;

исходная шероховатость на шейки 28 мм — Ra=1,2…1,5 мкм, на шейки 80 мм — Ra=0,8…0,9 мкм;

износостойкость оценивалась в метрах пройденного пути инструментами за общее время обработки, критерием износа инструмента считался выход шероховатости обработанной детали за рамки допуска.

Результаты испытаний представлены на рис. 3.1−3.2. График 1 на обоих рисунках обозначает сплав ВК8 без покрытий. Обработка велась с подачей СОЖ РЖ8. График 2 обозначает сплав ВК8 с напылением нитрида титана. График 3 обозначает сплав ВК8 с напылением нитрида титана в условиях ассистирования газовой плазмой.

Из графиков видно, что инструменты простояли достаточно долгое время (около 1200 деталей, что соответствует 3 сменам работы и весьма приемлемо для массового производства). Однако инструментам требуется некоторое время для приработки, что явно выражено на всех графиках.

Рис. 3.1. Результаты стойкостных испытаний при обработке шейки 80 мм:

1 — ВК8; 2 — ВК8 с напылением TiN, 3 — ВК8 с напылением TiN в условиях ассистирования газовой плазмой;

НД — нижний допуск по шероховатости; ВД — нижний допуск по шероховатости Рис. 3.2. Результаты стойкостных испытаний при обработке шейки 80 мм:

1 — ВК8; 2 — ВК8 с напылением TiN, 3 — ВК8 с напылением TiN в условиях ассистирования газовой плазмой;

НД — нижний допуск по шероховатости; ВД — нижний допуск по шероховатости В целом эксперимент проходил в 3 этапа.

На первом этапе использовались инструменты, рабочая часть которых изготовлена из твердого сплава ВК8 (радиус рабочей части инструмента R1,5 мм, шероховатость Ra=0,06…0,07 мкм). На данном этапе были получены весьма приемлимые результаты. Стойкость инструментов, как уже было сказано, составила около 1200 деталей.

На втором этапе была поставлена задача — повысить стойкость инструментов и попытаться провести процесс обработки без СОЖ путем нанесения на поверхность инструмента износостойкого покрытия нитрида титана TiN. Покрытие наносилось при следующих условиях: предварительная очистка поверхностей осуществлялась аргоном, температура окружающий среды при нанесении покрытий составляла 450С, конденсация титана происходила с двух катодов в течении 40 минут. Азот подавался в камеру в виде газа N₂ и ионизировался на поверхности титана. Глубина покрытия при этом достигала до 6 мкм. Результаты испытаний оказались неудовлетворительными. Это можно объяснить наличием так называемой «капельной фазы» при нанесении покрытий на инструмент, в результате которой поверхность инструмента приобрела матовость и шероховатость повысилась до 0,1…0,12 мкм, что привело к необходимости очень длительного времени на приработку инструмента в процессе обработки (см. рис. 3.2−3.1 графики № 2).

Задачей 3 этапа было получение более гладкой поверхности рабочей части инструмента после нанесения покрытия. Это было достигнуто путем подачи в камеру, где происходил процесс нанесения покрытия TiN, азота не в виде газа N₂, а в виде ионов N⁺². В результате чего покрытие получалось более мелкозернистое, а «капельная фаза» протекала быстрее. Но это также не дало ожидаемого эффекта, хотя из графиков видно некоторое улучшение протекания процесса обработки. На всех графиках видно, что обработка шейки 28 мм протекает хуже, чем обработка шейки 80 мм. Это объясняется тем, что исходная шероховатость первой шейки хуже, чем у второй (см. усл. провед. эксперимента).

4. Разработка математической модели отделочно-упрочняющей обработки, наносящей микрорельеф на поверхность шеек валов.

4.1 Создание математической модели геометрического построения микрорельефа обработанной поверхности

Для того, чтобы произвести расчет предложенного метода обработки (см. рис. 1.24), предлагается следующий подход к решению данной задачи:

обрабатываемую шейку вала, которая является цилиндрической поверхностью разбить на K_x точек по ширине поверхности, и на K_у точек по окружности детали (см. рис. 4.1.а);

далее для упрощения расчета произвести развертку цилиндрической поверхности так, как показано на рис. 4.1.б;

а) б) Рис. 4.1. Математическая модель обрабатываемой поверхности Для того чтобы получить геометрию поверхности, необходимо рассчитать координаты каждой точки модели, представленной на рис. 4.1.б. Для более наглядного интерпретации результатов расчета целесообразнее представит результат в виде матрицы размером КхКу, где каждый элемент матрицы будет численно выражать координаты точки поверхности, относительно максимально углубленной точки в процесс ППД.

При разбиение цилиндрической развертки на точки (КхКу) следует учесть, что необходимо возможно будет рассчитать геометрию после нескольких оборотов, тогда исходя из рис. 4.1.б., точки (1; 1Кх) совпадут с точками (Ку; 1Кх), поэтому разбиение целесообразнее производить так, как показано на примере рис. 4.2.

Рис. 4.2. Пример представления цилиндрической развертки в виде матрицы На рис 4.2 показан пример графической интерпретации матрицы размером 44. Очевидно, что для представления микропрофиля поверхности разбиение на такое количество точек неэффективно, значения Кх и Ку должны как минимум быть на порядок выше, но следует также учесть, что увеличение количества рассчитываемых точек приводит к более громоздким расчетам. Детальность расчета микропрофиля можно оценить величинами:

;(4.1)

(4.2)

где L_р — ширина обрабатываемого участка, Kx — количество точек рассчитываемых по оси х, Kу — количество точек рассчитываемых по оси у, d — диаметр обрабатываемой детали, dx, dy — интервал между рассчитываемыми точками по оси х, у соответственно, мм.

Как видно из схемы обработки, целесообразнее расчету подвергать расчету геометрию поверхности показанной на рис. 4.3, так как другая часть обработанной поверхности будет идентична, но смещена по оси У на величину:

(4.3)

где — частота колебания инструмента, Гц; Т — период колебания инструмента, с; n — частота вращения детали, об/c.

Поскоку значения Kx — количество точек рассчитываемых по оси х и Kу — количество точек рассчитываемых по оси у не отражают заранее дискретность расчета поверхности, то в качестве исходных данных изначально целесообразнее задавать следующие параметры:

— шаг по ширине детали, мм;

— шаг по окружности детали, мм.

Так как параметры Kx и Ky необходимы для проведения дальнейших расчетов, то их значения могут быть найдены по формулам:

где L_р — ширина обрабатываемого участка;

где d — диаметр обрабатываемой детали.

Используя все вышесказанное формулу 4.1 можно записать в виде: