На правах рукописи
Горбунов Андрей Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРОЧНЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ
ВАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТЫВАНИЕМ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Иркутск 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»
на кафедре Машиностроительных технологий и материалов
Научный руководитель: Зайдес Семен Азикович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры Машиностроительных технологий и материалов ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»
Официальные оппоненты: Димов Юрий Владимирович доктор технических наук, профессор кафедры Конструирования и стандартизации в машиностроении ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»
Тютрин Николай Орестович кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО НПЦ «СибирьТрансИнжиниринг», г. Иркутск ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный уни
Ведущая организация:
верситет путей сообщения", г. Иркутск.
Защита состоится 18 декабря 2013г в 12-00 ч на заседании диссертационного совета Д212.073.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.
Автореферат разослан 18 ноября 2013г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просьба высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрГТУ; ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.02 Салову В.М.
e-mail: [email protected], тел./факс: (3952) 40-51-
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор В.М. Салов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность работы. Маложесткие детали типа валов, осей штанг широко применяют в транспортной и сельскохозяйственной технике, в водных судах и металлорежущих станках, в разнообразных механизмах горнорудной и текстильной техники.Создание новых конструкционных материалов с повышенной прочностью и стремление к экономии металлов все больше приводит к увеличение номенклатуры класса маложестких изделий.
Малая изгибная жесткость стержневых деталей вызывает существенные проблемы при их обработке и сборке, поэтому такие детали обычно являются нетехнологичными. Для уменьшения прогибов при механической обработке приходится уменьшать частоту вращения заготовки, подачу и глубину резания, что автоматически приводит к снижению производительности труда и повышению длительности технологического процесса обработки.
Изгибную жесткость изделий при механической обработке можно повысить за счет использования технологических опор в виде люнетов или за счет использования деформирующего инструмента замкнутого типа. К сожалению, эффективных результатов, в этом направлении пока не получено, так как не устранена основная причина вызывающая искривление валов – вращения длинномерной заготовки, и как следствие, появление центростремительных сил, искажающих форму изделия.
Другим важным моментом при обработке маложестких деталей является состояние поверхностного слоя. С одной стороны, он должен обеспечивать геометрическую стабильность при внешнем воздействии рабочего инструмента, а с другой стороны, поверхностный слой должен принимать упругопластическое воздействие для формирования необходимых требований к качеству изделия:
глубина упрочнения, степень наклепа, шероховатость и остаточные напряжения.
Если для жестких деталей такие разноплановые задачи не вызывают проблем, то для маложестких они являются взаимоисключающими. Поэтому в данной работе была поставлена задача по обеспечению геометрической стабильности стержневых деталей типа валов и формирование необходимого качества поверхностного слоя при поверхностном пластическом деформировании.
Цель работы. Создание эффективной технологии отделочно-упрочняющей обработки маложестких валов обеспечивающей повышение качества поверхности при сохранении точности и стабильности геометрической формы.
Задачи исследования:
1. На основе анализа запатентованных и используемых в производстве инструментов для ППД, разработать устройство для обработки нежестких валов с учетом механических свойств поверхностного слоя.
2. Получить аналитические зависимости для расчета конструктивных и конструктивно-технологических параметров центробежного обкатника, обеспечивающие необходимые качественные показатели обработки ППД нежестких валов.
3. Разработать методику расчета технологических параметров обработки нежестких валов центробежным обкатником на основе реальных механических свойств поверхностного слоя.
4. Экспериментально определить механические свойства поверхностного слоя малоуглеродистых сталей используемых для расчета технологических параметров центробежного обкатывания нежестких валов.
5. Провести экспериментальную проверку аналитических зависимостей и методики расчета рациональной величины технологических параметров ППД центробежным обкатыванием малоуглеродистых сталей.
Объект исследования: маложесткие стальные детали типа осей, валов, штанг.
Предмет исследования: качество поверхностного слоя и технологические параметры упрочнения центробежным обкатыванием.
Научная новизна Разработаны теоретические положения по проектированию технологического процесса отделочно-упрочняющей обработки нежестких валов, опирающиеся на физические закономерности деформации поверхностного слоя в пределах зоны взаимного влияния.
Получены аналитические зависимости частоты вращения центробежного обкатника от величины критического напряжения в поверхностном слое маложестких валов. Использование этих зависимостей обеспечивает создание условий для упрочнения поверхностного слоя в пределах зоны взаимного влияния.
В результате электромагнитных и механических испытаний поверхностного слоя стержневых деталей установлена количественная зависимость между характеристиками прочности основного металла и зоны взаимного влияния, а также доказана стабильность напряженного состояния по длине упрочненного слоя при центробежном силовом воздействии.
Практическая значимость Спроектирована и изготовлена конструкция центробежного обкатника, обеспечивающая стабильную деформацию поверхностного слоя по длине вала.
Устройство позволяет обрабатывать изделия с конусностью до 1:8 без дополнительной настройки обкатника.
Разработана технология поверхностного пластического деформирования нежестких деталей типа валов центробежным обкатыванием.
Предложена методика расчета рациональных размеров деформирующего инструмента для центробежного обкатывания нежестких деталей.
Конструкторско-технологические рекомендации по упрочнению маложестких валов рекомендованы к внедрению на ООО ПО «Усольмаш» при изготовлении длинномерных деталей типа «Ось конвейера».
Достоверность полученных результатов подтверждена обоснованностью принятых допущений, корректностью выбранных методов исследования. Достоверность выводов подтверждается опытом практической реализации результатов исследования.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены автором на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.), на Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Жизненный цикл конструкционных материалов» (Иркутск, 2012, 2013 г. г.), ежегодных научно-практических конференциях института авиа-машиностроения и транспорта Иркутского государственного технического университета, на конференциях в рамках международного форума «Инженеры будущего» (Байкал) 2011г.г.
Основные положения выносимые на защиту:
Технология, обеспечивающая формирование равномерного напряженного состояния по длине маложесткого вала.
Методика определения механических характеристик в поверхностном слое упрочненных деталей.
Методика выбора технологических параметров обработки маложестких валов в зависимости от исходной микроструктуры материала.
Усовершенствованная конструкция обкатника, генерирующего деформирующее усилие от центробежного воздействия.
Публикации. Результаты работы отражены в шести публикациях. В журналах рекомендуемого перечня ВАК РФ опубликовано 3 статьи, общим объемом 2 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 128 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 5 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выполненной работы. Сформулирована цель, задачи и положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе проведен анализ технологических параметров и оснащения влияющих на качество обработки ППД нежестких валов.
Показано, что технологии упрочнения, разработанные для обработки ППД жестких валов не могут быть использованы для обработки маложестких валов без существенного увеличения жесткости системы СПИД, создания специальных инструментов и оборудования.
Исследованием качества изделий при ППД в России занимались: Басков Л. В., Блюменштейн В. Ю., Димов Ю. В., Драчев О. И., Емельянов В. Н., Зайдес С. А., Исаев А. Н., Киричек А. В., Кропоткина Е. Ю., Матлин М. М., Мураткин Г. В., Папшев Д. Д., Пашков А. Е., Попов М. Е., Проскуряков Ю. Г., Расторгуев Д. А., Рахимянов Х. М., Смелянский В. М, Суслов А. Г., Тамаркин М. А., Чепа П. А и многие другие исследователи. Их трудами созданы научные основы методов ППД, разработаны рабочие инструменты, установлены оптимальные режимы упрочнения. Однако из-за поперечных и крутильных колебаний нежестких заготовк любые способы увеличения жесткости экономически малоэффективны. Решение большей части проблем, связанных с динамикой системы станок – деталь решается совершенствованием технологий, при которых заготовка совершает поступательное движение, а инструмент - вращательное. Для этого необходимо развитие теории и практики проектирования вращающегося инструмента с генерацией рабочего усилия центробежными силами. Проектирование технологии ППД нежестких деталей и результат обработки зависят во многом от микроструктуры поверхностного слоя.
В результате литературного обзора была сформулирована цель диссертационной работы, направленная на разработку эффективной технологии упрочнения маложестких валов.
Во второй главе определены параметры упрочнения с использованием центробежного обкатника. Доказано, что режимы упрочения зависят не только от содержания углерода в стали, но и от величины зерна в поверхностном слое.
Даны аналитические решения по определению конструктивных параметров центробежных обкатников и рациональной частоты их вращения на основе линейной модели изменения механических свойств по толщине поверхностного слоя.
Основными параметрами качества обработки поверхностного слоя нежестких валов являются параметры шероховатости, равномерность упрочнения и равномерность остаточных напряжений по длине вала. Наиболее эффективно эти проблемы решаются с использованием при ППД нежестких валов центробежного обкатника, усовершенствованная конструкция которого показана на рис.1.
Влияние материала заготовки на технологические параметры ППД нежестких валов связано с существованием вблизи свободной поверхности заготовки слоя (зона взаимного влияния), в пределах которого наблюдаются иные заРис. 1. Конструкция центробежного обкатника. 1 – корпус и лекало; 2 – криволинейный рычаг; 3 – груз; 4 – державка с деформирующим роликом;
5 – обкатываемая деталь; 6 – дополнительная опора; 7 – защитный кожух кономерности совместной деформации и деформационного упрочнения поликристаллической структуры даже при отсутствии технологической наследственности (рис.2). Толщина этой зоны определяется эмпирическим соотношением:
где з – средний размер зерна, мкм В пределах зоны взаимного влияния при удалении от свободной поверхности напряжение течения (как результат пластической деформации) возрастает от величины много меньшей напряжения течения всего образца до величины равной ему. Изменение происходит с большим градиентом и в первом приближении может быть описано линейной функцией:
предел текучести материала образца; - предел текучести приповерхностного слоя; 0 – радиус вала.
Выравнивание механических свойств по толщине поверхностного слоя любыми способами, в том числе ППД, сводится к уменьшению разности у путем увеличения. Упрочнение на глубину более приводит к увеличению на большую величину чем. Разность у возрастет, и выравнивание механических свойств поверхностного слоя и основного метала не произойдет.
Усилие прижима роликов к поверхности заготовки пропорционально квадрату частоты вращения центробежного обкатника:
Рис. 2. Зависимость размера зоны взаимного влияния от размера зерна: – армко железо; – аустенитная сталь с содержанием углерода 1%, – сталь 45 с размером зерна 20 мкм, – сталь 35 с размером зерна 37 мкм; 1 – зона взаимного влияния где 3 – сила тяжести груза, Н; – частота вращения инструмента, об/мин.
Для данного типоразмера центробежного обкатника изменение диаметра обрабатываемого вала более чем в 3 раза не приводит к существенному изменению усилия прижима инструмента, что позволяет обрабатывать детали с конусностью 1:8 без каких-либо затрат времени на настройку инструмента.
Из условия распространения пластической деформации на глубину, не превышающую размер зоны взаимного влияния установлены аналитические зависимости ограничивающие расстояние между опорами, поддерживающими вал при центробежном обкатывании и частоту вращения инструмента где, T –соответственно изгибающий и крутящий моменты, рассчитанные с учетом пластического течения в поверхностном слое на глубину, Нм;
d – диаметр обрабатываемого вала.
Величины крутящего и изгибающего моментов зависят от размера, поэтому проектирование инструмента должно происходить во взаимосвязи с микроструктурой нежесткого вала. Выполнение неравенств, предложенных для выбора основных размеров центробежного обкатника, обеспечивает большую однородность обработки в пределах зоны взаимного влияния.
Рациональная глубина деформационного упрочнения маложестких деталей не должна превышать размеров зоны взаимного влияния, в пределах которой формируется, сохраняется и через которую передается технологическая наследственность.
Получена аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать глубину упрочнения в пределах зоны взаимного влияния:
где 3 масса груза, a, b – полуоси эллипса пятна контакта ролика с деталью, 1 =1,4…1,6; t – глубина невосстановленной лунки, – нормальное напряжение в очаге деформации.
Установлена аналитическая зависимость для расчета рациональной частоты вращения центробежного обкатника, обеспечивающей глубину упрочнения равную размеру зоны взаимного влияния:
Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки со закрепления заготовки в задней бабке токарного где = 0,0257; = 2.5 … 2.6; k =1…10.
При малых нагрузках и большой твердости материала можно пренебречь величинами ( + ) 0, ( )2 0. Тогда Частота вращения, рассчитанная по формуле (8) не должна превышать предельную частоту вращения (формула 5) В третьей главе изложены методики экспериментального исследования механических свойств поверхностного слоя, глубины упрочнения, параметров шероховатости, твердости, остаточных напряжений. Описаны экспериментальные установки, используемые в работе.
В качестве объектов исследования выбраны тонкие нежесткие валы из малоуглеродистых сталей, широко используемые в сельскохозяйственном машиностроении, в горной, текстильной промышленностях и других отраслях.
Экспериментальная установка для обработки нежестких валов показана на рис.3. Основной частью ее является центробежный обкатник 1, закрепленный в патроне станка 1К62. Обрабатываемая заготовка 2 одним концом закреплена в самоцентрирующемся трехкулачковом патроне 3, другой конец – свободен. Продольная подача заготовки обеспечивается движением задней бабки, скрепленной замковым устройством с суппортом.
Рис. 4. Экспериментальная установка для исследования механических свойств поверхностного слоя. 1 – образец;
2 – индукционный трансформаторный датчик; 3 – генегенератор ГЗ-111;
ратор ГЗ-111; 4 – тензоусилитель ТА-5; 5 – датчик нагрузки на образец; 6 – самописец ХУ-4103; 7 - преобдатчик нагрузки на разователь В-9; 8 – разрывная машина Р – 50; 9 – блок управления разрывной машины Р- Для исследования механических свойств поверхностного слоя использована экспериментальная установка (рис. 4), принципиальная схема которой показана на рис. 5 По перегибу на электромагнитной диаграмме растяжения образца или заготовки (рис. 6) определено макроскопическое напряжение течения поверхностного слоя, которое использовалось для расчета механических характеристик поверхностного слоя. Запись изменений напряжения после электрохимического стравливания слоя определенной толщины позволило определять глубину наклепа после центробежного обкатывания. По напряжению оценивалась равномерность обработки и функциональная зависимость остаточных напряжений от частоты вращения центробежного обкатника. Остаточные напряжения первого рода в поверхностном слое определены с использованием электромагнитной диаграммы растяжения образца и рентгеновским способом.
Величина остаточного макроскопического напряжения пропорциональна электрическому напряжению во вторичной обмотке датчика после полной (1, 2) и механические (3, 4) скопа ММУ-3 и двухлучевого сканирующего микдиаграммы растяжения роскопа (многолучевая система) JIB-4500.
образцов Измерение шероховатости поверхности заготовок до ППД и после обкатки центробежным обкатником производили с использованием стандартизованной методики на приборе Абрис ПМ 7. Остаточные напряжения в поверхностном слое определяли на рентгеновском анализаторе напряжений Хstress 3000G3/G3R.
В четвертой главе изложены результаты экспериментального определения рациональных парамтров упрочнения маложестких валов и результаты исследования качественных показателей поверхностного слоя при центробежном обкатывании.
Для всех исследованных малоуглеродистых сталей существует критическое напряжение кр. и соответствующее ему критическая деформация кр, после которой поверхностный слой практически не упрочняется или упрочняется с малой интенсивностью (рис.7). До напряжения кр. интенсивность упрочнения поверхностного слоя много меньше, чем образца в целом.
Экспериментальные данные по величине кр. малоуглеродистых сталей с размером зерна 25-30 мкм аппроксимированы линейной зависимостью:
где С – содержание углерода в стали, %.
Величина критической деформации для малоуглеродистых сталей колеблется в интервале от 3 до 5% относительной остаточной деформации.
В поверхностном слое при любой величине пластической деформации пластическое течение начинается при напряжении 1,5 – 2 раза меньше напряжения течения образца.
Основные параметры качества ППД формируемые центробежным обкатыванием исследованы экспериментально. Для оценки шероховатости использованы четыре параметра: cреднее арифметическое отклонение профиля, средРис. 7. Кривые деформационного упрочнения стали 25: – поверхностный слой;
– образец в целом поверхности, Ra, мкм Шероховатость тие» вершин профиля с одновременным увеличением радиусов закруглений и углов при его вершине. Высота неровностей профиля по десяти точкам уменьшилась в 40,5 раза, средний шаг неЧастота вращения обкатника, n, об/мин частоты вращения обкатника при разной А - Ra - 5,0 мкм, В - Ra - 1,25 мкм сравнению с исходной шероховатостью эти параметры уменьшились соответственно в 33 раза и 10 раз (рис. 8). Обработка с частотой вращения выходящей за пределы оптимального интервала приводит к формированию вторичной (наведенной) шероховатости, наблюдается отслоение (выкрашивание) с поверхности.
Средний шаг неровностей увеличивается в 3,5 раза, а высота неровностей по точкам в 5 раз (рис. 9).
Глубина упрочнения поверхностного слоя при центробежном обкатыании монотонно возрастает с увеличением числа оборотов (рис. 10, кривая 1). В исследованном диапазоне шероховатостей (5-1,25 мкм) минимальная шероховатость поверхности заготовок из стали 35 с размером зерна 30 мкм наблюдалась при частоте вращения 315 об/мин., которой соответствует глубина упрочнения около 400 мкм. Эта величина близка к толщине ослабленного поверхностного слоя (размеру зоны взаимного влияния).
Размер шероховатости существенно не изменяется по сравнению с оптимальной при уменьшении глубины упрочнения почти в 2 раза (рис. 10).
Этот экспериментальный факт позволяет утверждать, что рациональные технологические параметры обработки ППД нежестких деталей следует искать вблизи границы зоны взаимного влияния.
Средний шаг неровностей Средний шаг неровностей профиля, Sm, мкм Рис. 9. Зависимость среднего шага величина профильного радиуса.
«