Повышение эффективности финишной абразивной обработки внутренних цилиндрических поверхностей методом растрового хонингования

Долговечность и надежность современных машин и механизмов, работающих в условиях высоких скоростей и интенсивных нагрузок, в большей мере обусловлены точностью и качеством изготовления отдельных узлов и деталей. В связи с этим существенно возрастает роль финишных операций, завершающих технологический процесс обработки детали.

Эксплуатационные свойства деталей машин, такие как контактная жесткость, усталостная прочность, герметичность и др., в значительной мере зависят от характера микрорельефа обработанной поверхности, точности геометрической формы и физико-механических свойств поверхностного слоя. Эти параметры обработанной поверхности полностью определяются операциями окончательной механической обработки. Поэтому технологическое обеспечение оптимального микрорельефа и требуемой точности геометрической формы поверхности на финишной операции — важная научно-техническая задача, решение которой позволит повысить надежность и долговечность деталей и узлов машин.

К числу прогрессивных методов финишной обработки цилиндрических поверхностей как внутренних, так и наружных относится хонингование. Процессы хонингования и доводки точных цилиндрических поверхностей, в частности отверстий, получили широкое применение во многих отраслях машиностроения благодаря теоретическим и экспериментальным работам З. И. Кременя, М. М. Хрущева, Е. Н. Маслова, Б. Г. Левина, Г. И. Панина, М. С. Наермана, П. Н. Орлова, ЮИ.Е.Фрагина, И. Х. Чеповецкого, Ю. Б. Серебренника, Р. Г. Кудоярова, П. И. Ящерицина и других ученых. В отличие от других видов резания лезвийным или абразивным инструментом, где зона резания сконцентрирована на малой поверхности режущей кромки, при хонинговании имеет место распределенное резание из-за большой площади контакта брусков с обрабатываемой поверхностью. Поэтому, учитывая относительно небольшие скорости резания, силовые и температурные напряжения, возникающие в процессе хонингования, незначительны. Следствие этого — сравнительно малые остаточные напряжения поверхностного слоя и отсутствие фазовых и структурных превращений. В результате в поверхностный слой не вносятся дефекты, как при шлифовании и обеспечиваются более высокие эксплуатационные качества обработанной поверхности.

Возможности процесса хонингования резко возросли с появлением брусков из сверхтвердых абразивных материалов (СТМ) на основе синтетического алмаза и кубического нитрида бора (КНБ), которые в большинстве случаев полностью вытеснили абразивные бруски. Огромные преимущества алмаза и кубического нитрида бора по своим физико-механическим свойствам, особенно твердости, прочности и абразивной способности, позволили существенно расширить технологические возможности процесса хонингования. Высокие режущие свойства и стойкость алмазных и кубанитовых брусков обеспечивают по сравнению с абразивными брусками более высокую производительность и стабильность технологического процесса, а также повышение точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей. Перечисленные выше свойства брусков из СТМ создают условия для построения управляемой технологии хонингования с использованием оборудования с ЧПУ и программно-адаптивным управлением, обеспечивающие точность геометрической формы обработанных отверстий с отклонением 0.004 — 0,005 мм и значительным увеличение периода стойкости брусков в условиях автоматизированного производства.

Однако окончательная обработка методом хонингования прецизионных отверстий в деталях топливной, гидравлической и контрольно-измерительной аппаратуры с отклонением геометрической формы не более 0,002 мм до настоящего времени представляет большую технологическую сложность. Кроме того одной из причин, ограничивающих применение хонингования на операциях окончательной обработки отверстий в деталях топливной аппаратуры, является образование микрозаусенцев на кромках пересечений обрабатываемой поверхности и радиальных отверстий, которые по техническим условиям не допускаются. Процесс алмазного хонингования отверстий в подобных деталях применяется главным образом на предварительных операциях. В результате на многих предприятиях окончательная обработка подобных деталей осуществляется путем многократной машинно-ручной доводки свободным абразивом, характеризующейся высокой трудоемкостью и нестабильностью качества обработанной поверхности. Поэтому изыскание новых методов и совершенствования технологии процесса хонингования, направленной на обеспечение высокой и стабильной точности геометрической формы и требуемого микрорельефа обработанной поверхности является актуальным и имеет большое научное и практическое значение.

Методы управления геометрической формой и микрогеометрией обрабатываемой поверхности изучены недостаточно, однако, установлено, что на параметры макро и микрорельефа большое влияние оказывает кинематика процесса хонингования, определяющая траекторию рабочего движения режущих зерен при обработке. Сложное рабочее движение при хонинговании отверстий создает благоприятные условия для более полного использования режущей способности брусков и равномерного износа инструмента, что положительно влияет на производительность обработки и точность геометрической формы поверхности. Известны различные модификации процесса хонингования, характеризующиеся наложением колебательного движения на основные рабочие движения. Эти методы хонингования (виброхонингования) позволяют интенсифицировать процесс резания, повысить производительность обработки, но недостаточно совершенны для того, чтобы управлять формированием геометрической формой и параметрами микрорельефа обрабатываемой поверхности, так как не располагают необходимым комплексом эффективных управляющих воздействий на процесс обработки.

Определенную долю в решение этой проблемы и совершенствование технологии финишной абразивной обработки точных отверстий вносит исследуемый в данной работе метод хонингования, получивший название растрового. В основе данного метода хонингования лежит растровый способ абразивной обработки, разработанный В. П. Некрасовым и получивший широкое применение при доводке прецизионных плоскостей. Отличительной особенностью растрового метода хонингования является весьма сложная и абсолютно неповторяющаяся траектория рабочего движения режущих зерен, параметры которой можно тонко регулировать в широких пределах. Для реализации растрового метода хонингования в ПГТУ под руководством В. П. Некрасова были разработаны экспериментальная установка и опытный хонинговально-доводочный станок. Однако до настоящего времени данный метод хонингования цилиндрических поверхностей не изучен. Поэтому исследование технологических и кинематических возможностей растрового метода хонингования точных отверстий является актуальным.

Цель работы — повышение эффективности и технологическое обеспечение требуемых параметров качества внутренних цилиндрических поверхностей при алмазном хонинговании с растровой кинематикой рабочего движения.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Методами компьютерного моделирования выполнить теоретические исследования свойств растровых траекторий рабочего движения, провести кинематический анализ и разработать методики расчета основных параметров траектории.

2. Экспериментально исследовать технологические возможности растрового хонингования отверстий и установить количественные и качественные зависимости основных показателей процесса хонингования от технологических условий обработки.

3. Исследовать возможность управления параметрами микрорельефа и отклонениями геометрической формы обрабатываемой поверхности путем регулирования кинематических параметров растрового движения, разработать технологические рекомендации по промышленному использованию растрового хонингования точных отверстий.

Научная новизна. 1. На основе компьютерного моделирования получены математические модели и проведены теоретические исследования технологических и кинематических свойств растрового рабочего движения при хонингования внутренних цилиндрических поверхностей.

2. Показано, что оборудование с растровой кинематикой позволяет реализовать различные методы хонингования, путем регулирования параметров элементарных движений (традиционное хонингование, виброхонингование, растровое хонингование).

3. Установлено, что при растровом хонинговании путем целенаправленного регулирования соотношениями параметров колебательных движений и движений подач можно управлять формированием точности геометрической формы и параметрами микрорельефа обрабатываемых поверхностей.

Практическая ценность работы.

1. Предложенные технологии хонингования отверстий с использованием станков с растровой кинематикой рабочего движения позволили достичь высокой точности геометрической формы (отклонение менее 0,002 мм), требуемых параметров шероховатости обработанных поверхностей и повысить производительность обработки.

2. Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации были использованы при разработке технологий хонингования деталей топливной и контрольно-измерительной аппаратуры.

Общая логика проведенных в работе исследований такова. В первой главе представлен анализ существующих в настоящее время методов хонингования и доводки прецизионных отверстий и их технологические возможности в свете современных требований производства и выявлены сильные стороны и «белые пятна» алмазного хонингования точных отверстий. На основе проведенного анализа и сделанных обобщений, с целью повышения эффективности и расширения технологических возможностей финишной обработки точных отверстий, предлагается растровый метод хонингования. В заключение сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований кинематики растрового метода хонингования и технологических свойств растровых траекторий, принципиально отличающихся от траекторий рабочего движения известных методов хонингования. Приведены математические зависимости, позволяющие рассчитывать основные параметры растрового рабочего движения.

В третьей главе даны краткое описание и техническая характеристика экспериментального оборудования, реализующего растровый метод хонингования, технологической оснастки и номенклатура исследуемых брусков. Представлены типы приборов для измерения параметров геометрической формы и шероховатости обработанных поверхностей. Приведены общие и частные методики оценки результатов экспериментальных исследований процесса хонингования с растровой кинематикой.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований растрового хонингования деталей топливной и контрольно-измерительной аппаратуры. Исследования преследовали цель определить влияния траектории растрового рабочего движения инструмента на выходные технологические показатели процесса хонингования по шероховатости поверхности, скорости съема материала, абсолютному и относительному износу брусков и высоту образующихся микрозаусенцев.

Пятая глава посвящена исследованию технологических и кинематических возможностей растрового метода хонингования по управлению процессом формирования геометрической формы и ю технологическому обеспечению требуемых параметров микрорельефа обработанной поверхности.

Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в рамках научно-исследовательских работ на лабораторной базе Пермского государственного технического университета.

Основные положения диссертации докладывались в 2005;2009 г. г. на международных, республиканских, межвузовских конференциях и семинарах. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах.

5.4. Выводы.

1. Экспериментально установлена возможность управления точностью геометрической формы обрабатываемого отверстия путем регулирования параметров движений подач при неизменных параметрах движений резания.

2. Управление формой отверстия в продольном сечении осуществляется изменением величины хода и перебега брусков, а также регулированием времени задержки инструмента в точках реверсирования поступательного движения.

3. Разработана методика теоретического расчета времени задержки в точках реверсирования поступательного движения (осевой подачи) для управления геометрической формой отверстия в продольном сечении.

4. Получено расчетное вырожение для определения времени задержки в точках реверсирования осевой подачи, учитывающее масштабно-геометрические соотношения системы инструмент-деталь, неравномерность распределения давления в контакте и параметры наладки.

5. Проведена экспериментальная проверка эффективности управления геометрической формой отверстия в продольном сечении регулирования времени задержки при реверсировании осевой подачи, показавшая хорошую сходимость с результатами расчетов.

6. Минимальное отклонение от кругл ости обрабатываемых отверстий достигается при иррациональном соотношении скоростей подач Укр/ Уос>1 в пределах ограниченных технической характеристикой оборудования.

7. Сравнительные эксперименты показали, что при хонинговании инструментом с удлиненными брусками L6p = (0,8 -1) • LOTB интенсивно исправляется изогнутость оси отверстия и повышается точность геометрической формы.

8. Экспериментально доказана эффективность хонингования сквозного отверстия с двух сторон путем периодического переворота обрабатываемой детали, при этом за счет взаимной правки в контакте инструмент — деталь значительно повышается и стабилизируется точность продольной геометрической формы отверстия и автоматически уменьшается исходная погрешность формы инструмента.

9. Хонингование с растровым рабочим движением в отличие от других методов, позволяет управлять параметрами шероховатости обработанной поверхности путем регулирования плотности сетки. Наименьшие высота шероховатости (Ra min) и среднее квадратическое отклонение (сгЛа), характеризующее однородность микрорельефа, достигаются при отношении частот 0.9 < со2 / (ох < 1 (независимо от их абсолютных значений) и отношении скоростей VB! VKc <0.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса хонингования с растровой кинематикой представляется возможным сделать следующие основные выводы.

1. На основании исследования математической модели движения режущих зерен при внутреннем цилиндрическом хонинговании установлено, что растровые траектории реализуются при отношении скоростей VBIVк < 0.6 и отношении частот колебательных движений в диапазоне 0.5 < сог / о) х < 1. Значение частот и амплитуд колебательных движений назначаются исходя из технических характеристик оборудования, размера обрабатываемых поверхностей и обеспечения максимальной скорости резания.

2. Хонингование с растровым рабочим движением в отличие от других методов, позволяет управлять параметрами шероховатости обработанной поверхности путем регулирования плотности сетки. Наименьшие высота шероховатости (Ra min) и среднее квадратическое отклонение (ода), характеризующее однородность микрорельефа, достигаются при отношении частот 0.9 < со2 / сох < 1 (независимо от их абсолютных значений) и отношении скоростей VB! VKcp < 0.1.

3. Экспериментально установлена возможность управления точностью геометрической формы обрабатываемого отверстия путем регулирования параметров движений подач при неизменных параметрах движений резания. Минимальное отклонение от круглости обрабатываемых отверстий достигается при иррациональном соотношении скоростей подач Vkp/ V0c>l в пределах ограниченных технической характеристикой оборудования. Управление формой отверстия в продольном сечении достигается изменением величины хода и перебега брусков, а также регулированием времени задержки инструмента в точках реверсирования поступательного движения. Время задержки рассчитывается в зависимости от величины перебега брусков и соотношения длины отверстия и брусков.

4. Экспериментально доказана эффективность хонингования отверстия с двух сторон путем периодического переворота обрабатываемой детали. При этом за счет взаимной правки в контакте инструмент — деталь значительно повышается и стабилизируется точность продольной геометрической формы отверстия и автоматически уменьшается исходная погрешность формы инструмента.

5. При хонинговании деталей из закаленных, высокоуглеродистых и хромистых сталей 95X18, 12ХНЗА, 9ХС и др. с точки зрения производительности и стабильности съема бруски из кубического нитрида бора (КНБ) предпочтительнее по сравнению с брусками из синтетических алмазов.

6. С целью обеспечения производительного съема припуска и формирования требуемого микрорельефа обработанной поверхности целесообразно проводить размерное и чистовое хонингование. Размерное хонингование целесообразно осуществлять брусками из КНБ на металлосиликатной связке, с зернистостью 60/40 — 40/28, концентрация 50−100% при отношении частот колебательных движений со2! сох = 0.7−0.8 и отношении скоростей VH /VKcp <0.3−0.5. Для чистового хонингования в зависимости от обрабатываемого материала могут быть рекомендованы алмазные бруски на каучуко-содержащей связке Р11, Р11Т, зернистостью 28/20, 40/28, концентрация 50% при 0.9 < со2/со, < 1, VB / VKcp < 0.1.

7. Установлено, что при растровом хонинговании вследствие непрерывного изменения направления движения режущих зерен, образующиеся заусенцы постоянно срезаются. Величина заусенец практически не зависит от съема и давления и не превышает 3−5 мкм, которые легко удаляются на операциях отделочного хонингования брусками на каучукосодержащей связке.

8. Разработаны технологии хонингования на станке «РастрЦ20» для ряда серийных изделий машиностроительных предприятий ОАО «ПАО Инкар», ОАО «РАР», ОАО «КРИН», ЗАО «Новомет». Технологические рекомендации внедрены в производство.