Многопереходное формирование плосковершинных поверхностей деталей со смазочными микровпадинами выглаживанием и деформирующим профилированием

Важнейшими проблемами, стоящими перед обществом, являются повышение производительности труда и качества его результатов. Эффективным способом повышения производительности, качества и гибкости производства являются современные технологии, основанные на многоцелевой обработке сложных и высокоточных деталей. Обработка деталей трибосопряжений за один установ позволит обеспечить создание высоконадежного оборудования и машин во всех отраслях промышленности.

Первостепенной проблемой эффективного применения: многоцелевых станков является отсутствие инновационных технологий финишнои обработки. Особенно актуально создание технологического и инструментального обеспечения финишных переходов для: формирования плосковершинных поверхностей деталей трибосопряжений, состоящих из совокупности участков с относительно малой шероховатостью (плато) и смазочных микровпадин (СМВ). Плосковершинные поверхности с маслоудерживающим микрорельефом формируются в настоящее время на металлорежущих станках с применением сложной оснастки или на специальном оборудовании.

В связи с этим теоретическое обоснование и инструментальное обеспечение эффективной технологии формирования плосковершинных поверхностей с микрорельефом смазочных микровпадин на финишных переходах многоцелевой обработки высокоточных деталей тр: ис€ 5осопряжении из закаленных сталей (коленчатые валы, плунжеры и др.) является актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является повышение э ф фективности изготовления деталей трибосопряжений на токарно-фрезерных центрах за счет теоретического обоснования и инструментального обеспечения многопереходного формирования плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами.

Научные представления о плосковершиншой поверхности с маслоудерживающим микрорельефом созданы в работах И. В. Крагельского, И. Х. Чеповецкого, Э. В. Рыжова, А. М. Дальского, А. Г. Суслова, Д. Н. Гаркунова, Ю. Г. Шнейдера, Л. Г. Одинцова, А. П. Моргунова, Н.Ь.Соз1а, Ь-ваШа и других. Современные представления о параметрах, физико-механических и эксплуатационных свойствах данных поверхностей определяются технологиями их получения, методами и средствами исследований.

Плосковершинные поверхности деталей трибосошряжений в настоящее время создаются методами алмазно-абразивной обработки на специальном оборудовании.

Наиболее полно разработаны научные основы процесса плосковершинного хонингования. При двухопераздионном хонинговании формируются поверхности, микрогеометрия которых имеет плосковершинность 60.80% с шероховатостью ^¿-г=(0,02.1,25) мкм, и образуются риски для размещения смазки с глубиной и шириной соответственно (2,5. 10) мкм и (15. 80) мкм [72]. На первой операции применяются алмазные хон-бруски средней зернистости 125/100.250/200. Использование на второй операции брусков на эластичных связках позволяет устранить заусенцы по краям выступов смазочных микрокарманов. Проведенные исследования износостойкости плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами позволили установить оптимальную глубину микровпадин на закаленных сталях в пределах 3.7 мкм [72]. При этом маслоемкость поверхности достигает 1,3 мкм3/мкм2, что обеспечивает увеличение задиростойкости на порядок.

Однако плосковершинные поверхности после хонингования и других методов алмазно-абразивной обработки шаржированы абразивными частицами, имеют прижоги и практически не упрочняются.

В настоящее время для получения плосковсршинньк поверхностей используются методы поверхностного пластического деформирования (ППД). б.

В результате обработки поверхности обкатыванием, накатыванием, выглаживанием и другими методами в поверхностном слое достигается высокий уровень благоприятных сжимающих остаточных напряжений, значительно повышается его микротвердость.

Преимущества применения методов ППД и, в частности, алмазного выглаживания поверхностей деталей рассмотрены в работах Д. Д. Папшева, Л. А. Хворостухина, В. М: Смелянского, В. Пшибыльского, В1М. Торбило, Ь. ваЫа, W. Koszela, Р. Радл^ив, Б.1: БИои, С.Н. СИиагщ и других.

Новые возможности повышения качества поверхностей деталей трибосопряжений несомненно открываются. при использовании высокотехнологичных токарно-фрезерных центров. Современные технологии, многоцелевой обработки конструкционных сталейобеспечивают шероховатость поверхности после точения с Яа<0,3 мкм: Благодаря созданию Кузнецовым В. П. и Горгоцем В. Г. быстросменного специального инструмента-[44] и научных основ динамики выглаживания [8, 28] на поверхностях стальных деталей при многоцелевой обработке обеспечивается нанометровый диапазон параметров шероховатости (7?я<100 нм). Однако при применении алмазного выглаживания для формирования плосковершинного микрорельефа без следов микрорельефа предыдущей обработки на закаленных сталях, что необходимо для создания микрорельефа смазочных микровпадин, принципиальным является вопрос об управлении силой выглаживания и, соответственно, глубиной внедренияиндентора. При назначении силы выглаживания, обеспечивающей полное исключение следов предшествующей обработки, необходимо также учитывать упругое восстановление и изменение размера выглаживаемой поверхности.

В настоящее время разработан ряд математических моделей силы выглаживания [39, 40,43, 61, 70, 87, 88], которые однако не учитывают подачу инструмента, шероховатость обрабатываемой поверхности после предшествующей обработки и упругое восстановление выглаживаемой детали из закаленной стали.

Для нанесения на плосковершинную поверхность микрорельефа смазочных микровпадин при многоцелевой обработке высокоточных деталей трибосопряжений рассмотрены варианты использования методов вибронакатывания, виброобкатывания, двухпереходного резания и обкатывания, выглаживания [9, 37, 39, 40, 42, 63, 69, 77, 79]. Однако^для нанесения смазочных микровпадин на многоцелевых центрах из-за сложности" создания быстросменного инструмента и недостаточной производительности рассмотренных процессов предложено реализовать создание инструмента на основе хон-брусков. В основу инструмента положен патент [46]. Таким образом, основные задачи работы посвящены созданию теоретических основ плосковершинного выглаживания и деформирующего профилирования микрорельефа смазочных микровпадин специальным инструментом с хон-бруском.

Объектом исследования являются процессы и инструменты формирования плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами при многоцелевой обработке высокоточных деталей трибосопряжений на токарно-фрезерных центрах.

Предмет исследований — установление закономерностей формирования? плосковершинного микрорельефа со смазочными микровпадинами выглаживанием и деформирующим профилированием инструментом на основе хон-бруска при многоцелевой обработке высокоточных деталей трибосопряжений.

Основными проблемами, требующими теоретического решения, являются обоснованное назначение силы выглаживания для получения микрорельефа без следов предшествующей обработки и силы деформирующего профилирования смазочных микровпадин на плосковершинных поверхностях трибосопряжений.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов технологии машиностроения, математического моделирования, триботехнологии. 8.

Экспериментальные исследования проведены на основе использования методов высокоразрешающей сканирующей микроскопии (электронный микроскоп Tescan MIRA 3 LMU), микродюрометрии (микротвердомер Leica VMHT), рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shimadzu XRD-7000) и оптической профилометрии (ЗБ-профилометр WYKO NT1100). Тестовые образцы и детали обрабатывались на токарно-фрезерных центрах MULTUS В-300W и MacTurn 350 (OKUMA, Japan).

Достоверность и обоснованность теоретических исследований и моделирования подтверждена экспериментами, проверкой адекватности модели маслоемкости плосковершинной поверхности и внедрением результатов в промышленности.

Автор защищает:

1. Метод формирования плосковершинных поверхностей двухпереходным выглаживанием при многоцелевой обработке высокоточных' деталей трибосопряжений.

2. Метод деформирующего профилирования смазочных микровпадин на. плосковершинной поверхности инструментом на основе хон-бруска.

3. Методику оценки адекватности математической модели маслоемкости плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами на основе экспериментального определения фактической маслоемкости с помощью сканирующей микроскопии и применения пакета программ двухи трехмерного анализа изображений МеХ фирмы Alicona Imaging GmbH.

4. Методику расчета режимов и выбора параметров инструмента для выглаживания и деформирующего профилирования плосковершинных поверхностей со смазочным микровпадинами при многоцелевой обработке деталей трибосопряжений.

Научная новизна:

1. Установлена математическая зависимость силы выглаживания от наибольшей высоты неровностей профиля, твердости и упругого восстановления обрабатываемой поверхности, подачи и радиуса индентора инструмента, позволяющая управлять формированием поверхности без следов микрорельефа предшествующей обработки.

2. Определена математическая зависимость силы деформирующего профилирования смазочных микровпадин на плосковершинной поверхности зернами хон-бруска инструмента.

3. Установлены математические модели маслоемкости плосковершинной поверхности с регулярным и нерегулярным рельефом смазочных микровпадин.

Практическая ценность:

1. Создан и. запатентован инструмент для деформирующего профилирования смазочных микровпадин на станках с ЧПУ (патент РФ на полезную модель № 91 307 «Мультиинденторный деформирующий формирователь смазочных микрокарманов»).

2. Получены номограммы, устанавливающие связь радиуса И' угла поворота оси цилиндрического индентора с требуемым значением наибольшей высоты неровностей плосковершинной поверхности и величиной подачи инструмента.

3. Определены режимы финишных переходов выглаживания и деформирующего профилирования смазочных микровпадин на поверхностях высокоточных деталей из цементированной" закаленной стали 20Х при? многоцелевой обработке на токарно-фрезерных центрах.

4. Разработана и внедрена, технология^ обработки^ деталей типа «коленчатый вал» на токарно-фрезерных центрах с формированием на финишных переходах плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами.

Реализация полученных результатов:

Результаты выполненной работы внедрены и приняты к использованию в ООО «Предприятие «Сенсор» (г.Курган), ОАО «Станкотехника» (г.Тула), ЗАО «Нижневартовскремсервис» (г.Нижневартовск).

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на IX международной научно-практической конференции в г. Ялте, 2009 г.- XI ю международной научно-практической конференции в г. С.-Петербурге, 2009 г.- IX международной научно-технической конференции в г. Ростове-на-Дону, 2010 г.- V международной научно-технической конференции в г. Томске, 2010 г.- международной научно-технической конференции в г. Кургане, 2010 г.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений.

5.4. Выводы.

Для реализации технологии многоцелевой обработки высокоточных деталей трибосопряжений с формированием плосковершинных поверхностей с рельефом смазочных микровпадин разработаны и научно обоснованы:

1. Методика определения режимов и параметров инструмента для финишных переходов формирования плосковершинных поверхностей с нерегулярным рельефом смазочных микровпадин.

2. Программа расчета в пакете МаШСас! режимов и параметров инструмента для деформирующего профилирования смазочных микровпадин по требуемым характеристикам маслоемкости и плосковершинности поверхности.

3. Многопереходная технология финишной обработки поверхностей трибосопряжений коленчатого вала компрессора на токарно-фрезерных центрах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе рассмотрены и обоснованы пути повышения эффективности изготовления высокоточных деталей трибосопряжений путем многоцелевой обработки с формированием на финишных переходах плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами. Для формирования плосковершинных поверхностей со смазочными микровпадинами разработаны теоретические основы и технологическое обеспечение многопереходного выглаживания и деформирующего профилирования:

1. Определена математическая зависимость силы выглаживания от наибольшей высоты неровностей профиля, твердости" и упругого восстановления обрабатываемой поверхности, подачи и радиуса индентора инструмента, позволяющая управлять формированием поверхности без следов микрорельефа предшествующей обработки.

2. Разработаны математические модели и получены номограммы, устанавливающие связь эквивалентного радиуса выглаживания и угла поворота оси цилиндрического индентора с требуемым значением-максимальной высоты неровностей плосковершинной поверхности и величиной подачи инструмента.

3. Запатентован и создан быстросменный инструмент на основе хон-брусков для деформирующего профилирования смазочных микровпадин на поверхностях деталей при обработке на станках с ЧПУ (патент РФ на полезную модель № 91 307 «Мультиинденторный деформирующий формирователь смазочных микрокарманов»).

4. Определена математическая зависимость силы деформирующего профилирования смазочных микровпадин зернами хон-бруска быстросменного инструмента от глубины их внедрения, твердости поверхностного слоя и геометрических параметров рабочей поверхности хон-бруска.

4. Разработана кинематическая схема деформирующего профилирования наклонных и пересекающихся смазочных микровпадин на цилиндрических поверхностях деталей при многоцелевой обработке на токарно-фрезерных центрах с ЧПУ.

5. Разработаны математические модели маслоемкости плосковершинной поверхности с регулярным и нерегулярным рельефом микровпадин треугольной и округлой формы.

7. Разработана методика определения расчетной маслоемкости поверхностей с различными" типами1 рельефа на основе* созданных математических моделей истатистической обработки параметров реального рельефа, установленных по данным оптической компьютерной профилометрии участков поверхностей тестовых образцов.

8. Установлен' нормальный закон распределения параметров" ширины, глубины и шага нерегулярного рельефа смазочных микровпадин, формируемых деформирующим профилированием инструментом на основе хон-бруска.

9. Выполнена оценка фактической маслоемкости поверхностей после финишных переходов, многоцелевой обработки1 тестовых образцов методом' сканирующей микроскопии и компьютерной обработки трехмерного анализа изображений.

10. Создана методика оценки адекватности, математических моделей маслоемкости поверхностей с регулярными нерегулярным рельефом микровпадин треугольной и округлой формы, основанная на проверке сходимости расчетной и фактической маслоемкости.

11. Разработана методика расчета режимов и выбора параметров инструмента для многопереходной финишной обработки выглаживанием и деформирующим Профилированием плосковершинных поверхностей СО' смазочными микровпадинами на токарно-фрезерных центрах.

12. Экспериментально установлено, что многопереходное выглаживание и деформирующее профилирование поверхностей деталей из закаленной, но цементированной стали 20Х обеспечивает формирование опорной поверхности с микронеровностями профиля Яа<0,04 мкм и микротвердостью 440.980 МПа на глубине до 20 мкм. При этом глубина смазочных микровпадин находится в пределах 4.7 мкм, маслоемкость поверхности.

Л л достигает 1,305 мкм /мкм .

13. Разработана многоцелевая технология обработки деталей типа «коленчатый вал» с научно обоснованными режимами финишных переходов выглаживания и деформирующего профилирования, обеспечивающая снижение трудоемкости механической обработки в 4,8 раз и уменьшение станкоемкости технологии изготовления детали с 13 до 4 станков.