На правах рукописи

БОБРОВСКИЙ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

АВТОМОБИЛЕЙ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗА СЧЕТ

ОСВОЕНИЯ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ

Специальность: 05.02.08 – Технология машиностроения

05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

Москва, 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин» и ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович Кандидат технических наук Новиков Валентин Сергеевич Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИИнструмент»

Защита диссертации состоится «_» 2011г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять в адрес совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан «» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. Волосова М.А.

Актуальность темы. В технологии машиностроения за последнее время заметно увеличился удельный вес процессов обработки поверхностным пластическим деформированием. Большой интерес к указанным методам связан с их возможностью совмещать в одном процессе эффекты отделочной и упрочняющей обработки, что позволяет заменять операции, например, тонкого точения, шлифования или полирования на финишную обработку упрочнением.

Научными исследованиями обосновано, а практический опыт применения отделочно-упрочняющей обработки подтвердил еще одно важное их преимущество – это повышение эксплуатационной надежности обработанных деталей.

Повышение надежности и долговечности изделий машиностроения обусловлено высоким качеством обработки и достигается за счет увеличения конструктивной и усталостной прочности деталей после упрочнения, контактной жесткости, износостойкости и выносливости их рабочих поверхностей и др.

Сочетание указанных достоинств отделочно-упрочняющей обработки с возможностью исключения охлаждения при их использовании способствует приоритетности выбора упрочняющих методов при модернизации машиностроительного производства для повышения его эффективности, экологичности и конкурентоспособности.

Большинство известных примеров практического применения отделочноупрочняющих методов показывает, что они внедрены преимущественно в мелкосерийном производстве и для ответственных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, усталостной прочности и т.д. (например, в авиастроении и энергомашиностроении).

Для условий массового производства, например автомобилей, тоже актуальна проблема повышения эффективности, экологичности и конкурентоспособности их изготовления и особенно при увеличении спроса на отечественную продукцию. В настоящее время она решается в том числе путем замены процессов финишной обработки с обильным принудительным охлаждением на упрочняющие методы без применения смазочноохлаждающей жидкости. Они должны обеспечить высокую надежность автоматизированного выполнения заданных требований к точности и качеству упрочняемых деталей за очень короткое время – до 6…10с, соответствующее такту выпуска до миллиона изделий в год.

На ОАО «АВТОВАЗ» в качестве такого метода обработки хорошо зарекомендовал себя высокопроизводительный процесс выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом, оригинальность технологии, конструкции инструмента и выглаживающие устройства которого подтверждены патентами РФ. В отдельных случаях альтернативой ему является традиционная схема выглаживания алмазным сферическим наконечником.

Новая технология выглаживания позволяет заменить полирование лентой деталей из закаленных сталей и высокопрочных чугунов с обильным поливом керосином или масляной эмульсией, обеспечивая при этом дополнительные преимущества упрочнения их рабочих поверхностей.

Цель работы: Повышение эксплуатационной надежности деталей автомобиля путем формирования их рабочих поверхностей с заданной шероховатостью и минимальным наклепом методами выглаживания алмазным индентором и широким самоустанавливающимся инструментом.

Для достижения поставленной цели в работе выполнялись теоретические и экспериментальные исследования, а также производственные испытания и внедрение новых технических решений для решения следующих задач:

1. Обоснование требований к формированию поверхностей деталей по шероховатости и степени наклепа для обеспечения их повышенной эксплуатационной надежности.

2. Формулирование и решение задачи контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью детали при выглаживании для выявления взаимосвязей между геометрией инструмента, радиусом детали, сосредоточенной нагрузкой, упрочняющим напряжением и остаточной деформацией.

3. Сравнительный анализ процессов традиционного алмазного выглаживания и выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом по величине действующей нагрузки, времени обработки, времени деформирования и энергоемкости. Выявление оптимальных областей применения каждого из этих методов для деталей одного типа.

4. Формирование устойчивого деформированного состояния с заданной шероховатостью поверхности деталей из сталей в нормализованном и закаленном состоянии и высокопрочного чугуна с ограниченной пластичностью.

5. Экспериментальные исследования по оценке степени и характера влияния основных технологических параметров широкого выглаживания на шероховатость обрабатываемой поверхности деталей из закаленных сталей и чугуна, глубину и степень наклепа их поверхностного слоя.

6. Разработка и внедрение в производство ОАО “АВТОВАЗ” новых технических решений по инструменту, выглаживающим устройствам и модернизации оборудования для широкого выглаживания различных автомобильных деталей.

Методика исследований. Выполнение исследований опиралось на теоретические положения технологии машиностроения, физики металлов, механики деформируемого твердого тела. Использовались известные компьютерные программы статистической обработки экспериментальных данных для их корреляционного анализа и разработки регрессионных моделей.

Достоверность полученных результатов и разработанных рекомендаций подтверждена внедрением конструкций инструмента и режимов выглаживания в промышленное производство.

Научная новизна диссертационной работы состоит в:

- теоретическом обосновании назначения параметров контактного взаимодействия выглаживающего инструмента с обрабатываемой поверхностью детали (давление на обрабатываемую поверхность, усилие на инструмент, время рабочего цикла обработки, радиус рабочей части выглаживателя и др.) для обеспечения заданной шероховатости поверхности и минимального ее наклепа;

- выявленных закономерностях влияния параметров контактного взаимодействия при выглаживании на качество обработанной поверхности деталей из закаленных сталей и высокопрочного чугуна.

Практическая ценность результатов работы заключается в:

- выявленных областях рационального применения метода широкого выглаживания в сравнении с отделочно-упрочняющей обработкой выглаживанием сферическим индентором по производительности, времени и энергоемкости упрочнения;

выглаживающих устройств и рекомендаций по модернизации оборудования для широкого выглаживания и технологии его применения.

Апробация работы: IV-я Всероссийская студенческая научная конференция "Студенческая наука и медицина XXI века: традиции, инновации, приоритеты", Самара 2010; Международная научно-практическая конференция "Стратегическое планирование и развитие городов России, памяти первого ректора ТГУ С.Ф. Жилкина", Тольятти, 2010; 33-я Самарская областная студенческая научная конференция, Самара, 2007; Конференция “Студенческие дни науки”, Тольятти 2008; Международная конференция “ELPIT”, Тольятти, 2009; Всероссийская научно-техническая конференция ”Проведение научных исследований в области машиностроения”, Тольятти 2009.

Публикации. По результатам работы опубликованы 9 статей, 7 из которых в изданиях из рекомендованного перечня ВАК РФ и получено патента РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит рисунков, 6 таблиц, список используемой литературы из 99 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования»

представлен обзор и анализ литературных источников по результатам исследований методов пластического деформирования.

Анализ работ ведущих специалистов структурирован по направлениям:

- физика упрочняющей обработки металлов и сплавов;

- методы упрочняющей обработки поверхности;

- сравнительный анализ методов упрочняющей обработки обкатыванием и алмазным выглаживанием;

- устойчивость деформационного упрочнения при эксплуатации деталей;

самоустанавливающимся инструментом.

На основании выполненного обзора определены цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе «Теоретические предпосылки управления процессом деформационного упрочнения при широком выглаживании»

предпринята попытка адаптировать известные положения физики металлов и опыт формализации различных процессов деформационного упрочнения поверхностного слоя детали применительно к специфическим условиям технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом. В работе рассматривается также процесс алмазного выглаживания с точечным воздействием на поверхность детали.

Управлять процессом деформационного упрочнения при отделочноупрочняющей обработке можно назначением оптимальных параметров, которые должны обеспечить заданное силовое действие на поверхностный слой детали в течение времени, необходимого для проявления необратимого упрочняющего эффекта.

Требования к технологии упрочнения деталей автомобилей. Применение новой технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом – выглаживателем ориентировано в основном на детали типа тел вращения, то есть на обработку цилиндрических поверхностей по всей ширине.

Практическое использование эта технология получает в условиях массового производства деталей автомобилей из конструкционных углеродистых сталей 38 и 43 (с твердостью 165…225 HB), закаленных легированных сталей 19ХГН и 20ХГНМ (c твердостью 58…62 HRC) и высокопрочного чугуна марки ВЧ 75-50-03 (с твердостью 50 HRC и др.).

Диаметры обрабатываемых поверхностей находятся в диапазоне от 24,95 до мм с допуском на размер от 0,038 до 0,1 мм, а ширина обработки от 9 до 15 мм.

Основное требование к качеству обработки – обеспечение шероховатости поверхностей по параметру Ra от 0,2 до 0,4 мкм.

Детали автомобиля, которые рекомендуются для выглаживания, являются в основном, деталями двигателя. При эксплуатации они обычно работают при температурах до 700 C. Фактический ресурс их эксплуатации может достичь 1000…5000 часов (при общем пробеге автомобиля до км и более).

Детали автомобильных двигателей работают не только при высоких температурах, но и при действии рабочих нагрузок, обусловленных их конструктивным назначением. Взаимное влияние нагрева и нагрузки становится фактором, который способствует интенсивному старению упрочненного металла с сопутствующим изменением в процессе эксплуатации исходных физико-механических свойств обработанных деталей, повышая риск преждевременного их выхода из строя.

В этой связи, несмотря на отсутствие специальных требований, целесообразно принять во внимание условие достижения минимального наклепа поверхности выглаживаемой детали (например, не более 8…10%), чтобы гарантированно обеспечить их максимально возможный ресурс и повышенную надежность в эксплуатации.

Поэтому требования, которые установлены к технологии выглаживания для достижения повышенной эксплуатационной надежности упрочняемых деталей автомобиля - это обеспечение оптимального характера шероховатости с заданной высотой микронеровностей и минимального наклепа их рабочих поверхностей.

В качестве главной цели в диссертационной работе заявлено повышение эксплуатационной надежности детали после их выглаживания. У деталей, которые рекомендуются к отделочно-упрочняющей обработке, всегда сохраняется актуальной проблема повышения герметичности сальниковых сопряжений их трущихся элементов. Повышение и сохранение герметичности таких сопряжений при длительной и высокотемпературной эксплуатации возможно за счет увеличения контактной жесткости и контактной прочности упрочненных поверхностей. И, следовательно, поставленная в работе цель может быть достигнута формированием рабочих поверхностей деталей с оптимальным характером их шероховатости, например по высоте микронеровностей и увеличенной опорной длине микропрофиля и в сочетании с минимальным наклепом.

На основе классического решения М. Садовского и Г. Герца контактного взаимодействия двух твердых тел предложены расчетные модели для определения деформирующего напряжения, времени рабочего цикла и фактического времени деформирования поверхности детали, выглаживаемой широким инструментом и алмазным индентором, в зависимости от их технологических параметров.

Контактное взаимодействие при широком выглаживании. При анализе технологических схем выглаживания как широким самоустанавливающимся инструментом, так и выглаживанием алмазным индентером вдавливаемую рабочую поверхность инструмента можно рассматривать как абсолютно твердое тело. Это допущение оправдано, так как в качестве рабочей части выглаживателей используется в основном алмаз – самый твердый из всех известных материалов. Другие инструментальные материалы, применяемые в широких выглаживателях, - ниборит (томал 10), композит 05ИТ, лейкосапфир и твердые сплавы по своей твердости тоже значительно превосходят твердость выглаживаемых конструкционных сталей и чугунов, включая закаленные стали и высокопрочный чугун.

В соответствии с указанным допущением технологический процесс выглаживания можно рассматривать как процесс внедрения твердого индентора – инструмента в виде цилиндра радиусом r в обрабатываемую, более пластичную цилиндрическую поверхность детали радиусом R (рис. 1,а). Тогда по расчетной схеме, показанной на рис.1,б, размеры контактной поверхности внедряемого инструмента – выглаживателя определяются следующим образом:

Рис. 1 Концептуальная схема контактного взаимодействия при выглаживании широким самоустанавливающимся инструментом.

ширина контактной площадки b, как длина хорды равна а длина дуги контакта l определяется как При возможных величинах кривизны рабочей части выглаживателя r = 2…5 мм и глубины его внедрения в поверхность детали = 0,002…0,010 мм длина дуги мгновенного контакта l изменяется в диапазоне от 0,056 до 0, мм или более, чем в 11 раз.

Конкретизируя решение классической задачи контакта применительно к технологической схеме выглаживания можно определить деформирующее напряжение в виде выражения Из полученного выражения (3) следует, что деформирующее напряжение p0 прямо пропорционально величине усилия прижима Q выглаживателя (с размерностью Н/мм) и уменьшается с увеличением радиуса r и глубины внедрения.

Устойчивое деформационное упрочнение поверхностного слоя детали обеспечивается при выглаживании с определенными величинами деформирующего напряжения и времени его действия. При этом эффект упрочнения напрямую зависит от взаимосвязанного влияния этих двух параметров деформирования: при большем давлении необходимое время деформации будет меньше для достижения одной и той же степени упрочнения. Чем меньше деформирующее напряжение, тем больше времени необходимо для формирования субструктуры упрочнения с заданной степенью наклепа в поверхностном слое выглаживаемой детали.

В этой связи установление оптимального времени выглаживания при обработке деталей является не менее важной задачей, чем определение необходимой величины деформирующего напряжения.

Для дальнейшего анализа необходимо учесть два различных понятия:

время выглаживания и время деформации. Время выглаживания – это время, в течение которого деталь обрабатывается методом выглаживания широким инструментом или алмазным индентором со сферической рабочей частью.

Другими словами, время выглаживания представляет собой время рабочего цикла обработки или ее машинное время.

За цикл обработки, то есть за z оборотов выглаживаемой детали, на деформацию затрачивается время, равное При двухпозиционной обработке, когда процесс выглаживания осуществляется двумя инструментами, симметрично установленными относительно детали, фактическое время деформации за один ее оборот возрастает в 2 раза. Это позволяет обеспечить необходимый эффект от отделочно-упрочняющей обработки за меньшее количество оборотов выглаживаемой детали:

Время выглаживания одной детали при ее обработке за z оборотов при частоте вращения n равно Расчетами установлено, что при 40 оборотах детали в минуту при широком выглаживании время деформирования за один оборот составляет 3 10-4…1,2 10-3 с или 2 10-4…8 10-3 от времени рабочего цикла обработки.

Контактное взаимодействие при выглаживании алмазным индентором.

Действующее напряжение деформирования при этой схеме обработки будет равно В традиционной схеме алмазного выглаживания, чтобы упрочнить всю обрабатываемую поверхность детали, используется продольная подача индентора Sо. Тогда время выглаживания связано с шириной B упрочняемой поверхности детали и определяется простым выражением Если металл деформируется только за один оборот детали и при двухпозиционной обработке, то есть двумя инструментами, расчетное время деформации составит которое отличается от аналогичного времени для широкого выглаживания на количество оборотов детали за рабочий цикл.

Сравнительным анализом двух технологических схем выглаживания установлено, что нагрузка при выглаживании широким инструментом пропорциональна ширине обработки, но распределенная сила с размерностью Н/мм при традиционном выглаживании больше вследствие различия формы и размеров пятна контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью детали.

Время рабочего цикла при широком выглаживании при выполнении одинаковых требований к качеству обработанной детали меньше до 2 3 раз (при широком выглаживании время равно 4…6с, при алмазном – 7…23с).

Во всех сопоставимых случаях алмазного и широкого выглаживания время деформирования металла на поверхности детали в 40…100 раз или почти на два порядка больше у процесса упрочнения широким самоустанавливающимся инструментом. Увеличение времени деформирования с физической точки зрения обеспечивает преимущество широкому выглаживанию в более качественном и стабильном процессе формирования субструктуры упрочнения в поверхностном слое детали.

Большие значения – до 10 раз и более скорости выглаживания и времени цикла обработки точечным алмазным индентором способствует тому, что его энергоемкость до 6…8 раз выше, чем при выглаживании широким инструментом.

По всем исследованным характеристикам процесса выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом представляется более эффективным, чем упрочняющая обработка алмазным выглаживателем.

Только в случаях, когда по условиям упрочнения поверхности требуется внедрение индентора на глубину = 0,01мм и более, алмазное выглаживание является более производительным методом, чем широкое выглаживание (рис.

2).

Рис. 2 Соотношение времени выглаживания широким и точечным инструментом для различных технологических условий обработки.

Оценка глубины внедрения индентора. В расчетных моделях контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью детали при ее выглаживании определяющим параметром является глубина внедрения индентора. Ее величина функционально связана с нагрузкой на индентор и зависит от его геометрии, твердости и физико-механических свойств упрочняемой поверхности.

Если задаться величиной, то можно на этапе проектирования технологии выглаживания рассчитать величину необходимой нагрузки по (3) или (7). Значения деформирующего напряжения P0 при упрочнении, например, закаленных сталей, можно назначать в соответствии с рекомендациями Д.Д.

Папшева.

В данной работе предложено устанавливать величину в соответствии с необходимым уменьшением параметра шероховатости Rz от начального значения до заданного Уменьшение параметра шероховатости Rz при увеличении по (10) соответствует механизму отделочно-упрочняющей обработки путем сглаживания микронеровностей на обрабатываемой поверхности детали рабочей поверхностью выглаживателя (рис. 3).

Рис. 3. Схема выглаживания микронеровностей.

В третьей главе «Выбор рациональных условий широкого выглаживания» изложены результаты экспериментальных исследований и влияния условий контактного взаимодействия при широком выглаживании на качество обработки.

Экспериментально установлено, что при широком выглаживании закаленных сталей и высокопрочного чугуна ВЧ75-50-03 имеет место экстремальный характер зависимости шероховатости обработанной поверхности от величины действующего усилия. Экстремальный характер влияния нагрузки и времени выглаживания на шероховатость выглаженной поверхности смоделирован в виде логарифмического квадратичного полинома:

для образцов из стали для образцов из чугуна ВЧ 75-50- По разработанной расчетной модели (11) минимальное значение параметра Ra шероховатости выглаженной поверхности образца из стали достигается при следующих условиях:

время выглаживания = 6с, Ra = 0,113мкм при нагрузке 160 Н/мм;

время выглаживания = 9с, Ra = 0,101мкм при нагрузке 180 Н/мм;

время выглаживания = 15с, Ra = 0,087мкм при нагрузке 220 Н/мм.

Минимальные величины параметра шероховатости Ra достигаются при усилии выглаживания стали 38 в 210 Н/мм и 410 Н/мм при обработке высокопрочного чугуна.

С увеличением времени рабочего цикла с 6 до 15 с шероховатость по параметру Ra уменьшается с 0,12 до 0,06 мкм при выглаживании стали 38 и с 0,20 до 0,08 мкм - соответственно при упрочняющей обработке высокопрочного чугуна ВЧ75-50-03.

Анализ показал, что поверхность детали, полированная абразивной лентой с обильным охлаждением, имеет шероховатость Ra = 0,33 мкм, а после широкого выглаживания без охлаждения - Ra = 0,14 мкм (соответственно 9 и 11классы шероховатости). Для этих же поверхностей исследовались опорные кривые микропрофиля. В сравнении с ленточным шлифованием с обильным охлаждением, безсожевое выглаживание широким инструментом улучшает шероховатость обработанной поверхности, повышая е на 2 класса, и увеличивает опорную длину микропрофиля до 2-х раз.

Одновременно с шероховатостью исследовалось также влияние нового метода отделочно-упрочняющей обработки на точность формы изготавливаемых деталей. После выглаживания оценивались отклонения от круглости и прямолинейности обработанных поверхностей.

Точность формы сравнивалась с результатами измерений после шлифования детали и после выглаживания ее шлифованной поверхности широким самоустанавливающимся инструментом.

Из анализа круглограмм можно сделать вывод, что под действием давления самоустанавливающегося выглаживателя исходная после шлифования форма поверхности детали практически не изменяется. Это служит дополнительным подтверждением отсутствия при контактном взаимодействии напряжений, которые могли бы привести к заметной деформации и сопутствующему ей дополнительному деформационному упрочнению поверхностного слоя детали.

При обработке широким выглаживателем наблюдается эффект уменьшения погрешности от прямолинейности, которая сформировалась на предшествующей шлифовальной операции. Ее уменьшение по результатам измерений составило с 0,06 до 0,04 мм или в 1,5 раза.

Измерением микротвердости по глубине упрочнения поверхностного слоя установлено, что после выглаживания стали 38 и высокопрочного чугуна ВЧ 75-50-03 степень упрочнения поверхности и поверхностного слоя возрастает относительно полирования лентой. После выглаживания детали из стали 38 степень наклепа ее обработанной поверхности увеличилась с 7,6% (после полирования лентой) до 9,2% или на 21%. При обработке чугунной детали степень наклепа ее поверхности после выглаживания возросла до 10,1% или почти в 1,5 раза. Глубина упрочненного слоя во всех исследованных случаях оставалась одинаковой.

Зафиксированное повышение степени упрочнения поверхностного слоя стальных и чугунных деталей после широкого выглаживания можно рассматривать как положительный эффект отделочно-упрочняющей обработки, который способствует улучшению эксплуатационных свойств.

Важно также отметить и то, что при оптимальных технологических условиях широкого выглаживания обеспечена степень наклепа упрочненной детали не более 10%, что рекомендовано в данной работе для такого класса автомобильных деталей с целью повышения их эксплуатационной надежности.

По результатам проведенных работ, включая исследование качества обработки деталей широким выглаживанием, можно считать, что рекомендуемые технологические условия процесса обеспечивают шероховатость обработанной поверхности и степень ее упрочнения, которые способствуют повышению ее эксплуатационной надежности.

Сравнение двух технологий показало, что после полирования абразивной лентой благоприятная поверхность для эксплуатации формируется только после длительной приработки. При отделочно-упрочняющей обработке нужный рельеф рабочей поверхности коленвала достигается непосредственно в процессе выглаживания.

Производственные испытания новой технологии выглаживания и опыт ее применения подтверждают повышение эксплуатационной надежности автомобильных деталей: количество дефектов «течь сальника» для выглаженных деталей по рекламациям в период гарантийной эксплуатации автомобиля уменьшилось в 3 раза.

В четвертой главе «Разработка новых технических решений для технологии широкого выглаживания и внедрение результатов в производство» приведены результаты по разработке новых технических решений для технологии широкого выглаживания и их внедрения в массовое производство при изготовлении различных деталей автомобилей.

В процессе создания и подготовки к внедрению в производство новой технологии выглаживания без охлаждения взамен ленточного полирования с СОТС разработаны специальные конструкции инструмента и выглаживающих устройств. Новые технические решения оформлены патентами РФ.

Разработана, например, оригинальная конструкция инструмента (рис.4) для обработки деталей выглаживанием. Конструкция инструмента обеспечивает возможность обработки цилиндрической поверхности изделия и галтели, переходящей на торцевой уступ, а также более высокую надежность и точность закрепления в корпусе выглаживателя цилиндрического индентора.

Рис. 4 Инструмент для обработки выглаживанием наружных поверхностей вращения: а) конструктивная схема; б) внешний вид.

выглаживаюших наконечников от повреждения при ручной загрузке полуавтоматическом станке (рис. 5).

Конструкция защитных экранов позволяет предохранить рабочую поверхность выглаживающего инструмента от выкрашивания при случайных ударах об обрабатываемое изделие, в результате чего снижаются затраты на инструмент, время на его производительность оборудования.

Разработана конструкция устройства (рис. 6), которое обеспечивает постоянство усилия при выглаживании независимо от биения, некруглости и других изменений формы поверхности шлифованной заготовки, возможность удобной и легко контролируемой регулировки усилия, обеспечение возможности точной взаимной установки инструментов и державок в направлении вдоль оси изделия, а также автоматизации процесса подводаотвода инструментов.

Рис. 6 Конструкция устройства для обработки поверхностным пластическим деформированием (вид сбоку).

Разработан и запатентован способ обработки деталей широким выглаживанием без применения смазывающе-охлаждающих жидкостей, что позволяет обеспечить взрыво- и пожаро- безопасность производства, сократить расходы, связанные с приобретением специальных жидкостей, их регенерацией и утилизацией, при этом сохраняется требуемое качество обрабатываемой поверхности детали и норма расхода инструмента.

Новые запатентованные технические решения и способ выглаживания без применения смазывающе-охлаждающих жидкостей были реализованы при создании конструкций узлов специальных станков применительно к обработке автомобильных деталей. Станки для выглаживания были реконструированы на базе ленточно-полировальных станков путем их глубокой модернизации.

Разработанная технология, инструмент и оборудование (рис. 7) внедрены на ОАО «АВТОВАЗ» и используются для отделочно-упрочняющей обработки деталей: вал коленчатый автомобиля «Калина», вал первичный автомобиля «Приора», полуось заднего моста автомобилей семейства «Классика» и вал первичный коробки передач автомобилей семейства «Классика».

Годовой объем выпуска деталей, обработанных по новой технологии, составляет более 600 тыс. штук каждого наименования.

Рис. 7 Рабочая зона модернизированного станка и инструментальный

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроения и особенно для условий массового производства его продукции, которая заключается в повышении эксплуатационной надежности деталей автомобилей и экологичности их изготовления за счет освоения новой технологии широкого выглаживания без охлаждения.

На основе классического решения контактного взаимодействия двух твердых тел предложены расчетные модели для определения деформирующего напряжения, времени рабочего цикла и фактического времени деформирования поверхности детали, выглаживаемой широким инструментом и алмазным индентором, в зависимости от их технологических параметров.

Установлено, что требуемые параметры по шероховатости поверхности, обработанной выглаживанием (Ra 0,08 мкм) и степени ее наклепа (UH 8…10%), после шлифования достигаются при внедрении выглаживающего индентора на глубину от 2 до 4 мкм. Оптимальная глубина внедрения зависит от обрабатываемого материала, давления на индентор и времени выглаживания.

Сравнительным анализом двух технологических схем выглаживания установлено, что для каждого метода существует своя рациональная область применения, которая определяется временем рабочего цикла обработки и деформирования поверхности и его энергоемкостью.

Время рабочего цикла широкого выглаживания при выполнении одинаковых требований к качеству обработанной детали меньше до 2 3 раз (при широком выглаживании время равно 4…6с, при алмазном – 7…23с). Для условий упрочнения, когда необходимо обеспечить внедрение индентора в обрабатываемую поверхность детали на глубину до 0, мм и более, алмазное выглаживание является более производительным процессом, чем выглаживание широким инструментом.

Во всех сопоставимых случаях алмазного и широкого выглаживания время деформирования металла на поверхности детали почти на два порядка больше при обработке широким инструментом, что обеспечивает более стабильное по своим характеристикам упрочнение ее поверхностного слоя.

Большие значения – до 10 раз и более скорости выглаживания и времени цикла обработки точечным алмазным индентором способствует тому, что его энергоемкость до 6…8 раз выше, чем при выглаживании широким инструментом.

Экспериментально установлено, что при широком выглаживании закаленных сталей и высокопрочного чугуна ВЧ75-50-03 имеет место экстремальный характер зависимости шероховатости обработанной поверхности от величины действующего усилия. Минимум величины параметра шероховатости Ra достигается при усилии выглаживания стали 38 в Н/мм и 410 Н/мм при обработке высокопрочного чугуна.

9. Экспериментально установлено, что при широком выглаживании в сравнении с полированием лентой шероховатость обработанной поверхности улучшается на 2 класса, опорная длина ее микропрофиля возрастает до двух раз, степень наклепа увеличивается на 21% для стальных деталей и до 1,5 раз для деталей из высокопрочного чугуна.

Точность формы по отклонению от прямолинейности возрастает в 1, раза при сохранении исходного отклонения по круглости, соответствующего допуску на размер.

10.В процессе создания и подготовки к внедрению в производство технологии выглаживания без охлаждения взамен ленточного полирования с обильным охлаждением разработаны специальные конструкции инструмента и выглаживающих устройств и модернизированы ленточнополировальные станки для выполнения новой операции.

Предложенные новые технические решения оформлены патентами РФ.

11.Разработанная технология, инструмент и оборудование внедрены на ОАО «АВТОВАЗ» и используются для отделочно-упрочняющей обработки деталей: вал коленчатый автомобиля «Калина», вал первичный автомобиля «Приора», полуось заднего моста автомобилей семейства «Классика» и вал первичный коробки передач автомобилей семейства «Классика». Годовой объем выпуска деталей, обработанных по новой технологии, составляет более 600 тыс. штук каждого наименования.

12.Использование технологии выглаживания сальниковых шеек деталей автомобиля без применения смазывающе-охлаждающих жидкостей позволило существенно повысить их эксплуатационную надежность за счет снижения количества дефектов «течь сальника» в период гарантийной эксплуатации автомобиля в 3 раза.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

Бобровский И.Н. Контактное взаимодействие при выглаживании широким самоустанавливающимся инструментом / С.Н. Григорьев, И.Н.

Бобровский // Вестник МГТУ «Станкин», 2011, №1, с. 84-87.

Бобровский И.Н. Оценка качества методов обработки ППД без использования смазочно-охлаждающих жидкостей / Н.М. Бобровский, С.И. Барабанов, Н.Н. Максименко, И.Н Бобровский // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, выпуск 6, 2008г. с. 37-44.

Бобровский И.Н. Разработка научных основ безсожевой технологии обработки / Н.М. Бобровский, В.А. Вильчик, В.В. Бокк, И.Н. Бобровский // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, выпуск 6, 2008г. с. 13-22.

Бобровский И.Н. Распределение температур при выглаживании широким самоустанавливающимся инструментом / Н.М. Бобровский, В.А.

Вильчик, В.В. Бокк, И.Н. Бобровский // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, выпуск 6, 2008г. с. 22-30.

Бобровский И.Н. Технические решения, применяемые при обработке ППД широкими самоустанавливающимися инструментами / Н.М. Бобровский, С.И. Барабанов, Н.Н. Максименко, И.Н. Бобровский // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, выпуск 6, 2008г. с. 30Бобровский И.Н. Определение площади износа рабочей поверхности деталей машин и инструментов / Н.М. Бобровский, П.А. Мельников, И.Н.

Бобровский // “Вектор науки ТГУ“, №1(4), 2009. С. 17 - 23.

Бобровский И.Н. Сгорание топливно-воздушной смеси вблизи стенки цилиндра двигателя с искровым зажиганием / А.П. Шайкин, И.Н. Бобровский, П.В. Ивашин, Н.А. Дурманова, М.А. Понизов // “Вектор Науки”, ТГУ, Тольятти, 2010, №1.

1. Патент - №2348501 РФ, В 24 В 39/04. Способ обработки поверхностным пластическим деформированием поверхностей деталей машин / Н. М.

Бобровский, В.А. Вильчик, И.Н. Бобровский и др.; Тольяттинский гос. ун-т. № 2008102217; Заяв. 21.01.2008; Опубл. 10.03.2009, Бюл. №7.

2. Патент - №2348502 РФ, В 24 В 39/04. Устройство для обработки выглаживанием наружных поверхностей вращения / Н. М. Бобровский, В.А.

Вильчик, И.Н. Бобровский и др.; Тольяттинский гос. ун-т. № 2008102215; Заяв.

21.01.2008; Опубл. 10.03.2009, Бюл. №7.

3. Патент - №2348503 РФ, В 24 В 39/04. Инструмент для обработки выглаживанием наружных поверхностей вращения / Н. М. Бобровский, В.А.

Вильчик, И.Н. Бобровский и др.; Тольяттинский гос. ун-т. № 2008102216; Заяв.

21.01.2008; Опубл. 10.03.2009, Бюл. №7.

4. Патент - №2348504 РФ, В 24 В 39/04. Устройство для обработки поверхностным пластическим деформированием / Н. М. Бобровский, В.А. Вильчик, И.Н. Бобровский и др.; Тольяттинский гос. ун-т. № 2008102219; Заяв.

21.01.2008; Опубл. 10.03.2009, Бюл. №7.

Публикации в других изданиях:

1. Бобровский И.Н., Шостак А.А., Шайкин А.П. Направление совершенствования рабочего процесса в автомобильных двигателях // Сб.

трудов конф. “Студенческие дни науки”, Тольятти 2008, с. 20-23.

2. Бобровский И.Н., Ивашин П.В., Коломиец П.В. Актуальные способы исследования процесса сгорания // Сб. трудов межд. научно-практ. конф.

"Стратегическое планирование и развитие городов России, памяти С.Ф.

Жилкина", 21 июня 2010, Тольятти, 2010, с. 146-153.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Бобровский Игорь Николаевич Повышение эксплуатационной надежности деталей автомобилей и экологичности их изготовления за счет освоения новой технологии широкого выглаживания