621.787.4

О.М. Чередніков, канд. техн. наук

О.О. Борисов, асистент

О.Г. Семеняко, аспірант

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ МАЛОЖОРСТКИХ КІЛЕЦЬ
ПРИ ОБРОБЛЕННІ ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ

О.Н. Чередников, канд. техн. наук

А.А. Борисов, ассистент

А.Г. Семеняко, аспирант

Черниговский государственный технологический университет, г. Чернигов, Украина

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА МАЛОЖЕСТКИХ КОЛЕЦ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

О.М. Cherednikov, PhD in Technical Sciences

O.O. Borysov, assistant

O.H. Semenyako, PhD student

Chernihiv State Technological University, Chernihiv, Ukraine

TECHNOLOGICAL QUALITY ASSURANCE OF LOW RIGIDITY RINGS IN PROCESSING BY SURFACE PLASTIC DEFORMATION

Розглянуто способи опоряджувально-зміцнюючого оброблення поверхневим пластичним деформуванням. Запропоновано спосіб поверхневого зміцнення, який дозволить обробляти маложорсткі кільця з пористих спечених композицій з підвищенням жорсткості технологічної системи інструмент-деталь та експлуатаційних характеристик, забезпечуючи ефект самозмащування. Визначені основні переваги застосування способу ізостатичного поверхневого пластичного деформування під час оброблення кілець. Розглянуто механізм передачі силової дії від робочого елемента (штока) пристрою через індентори на оброблювану поверхню заготовки. Запропоновані розрахункові формули для визначення режимів ізостатичного поверхневого пластичного деформування.

Ключові слова: маложорсткі кільця, ізостатичне поверхневе пластичне деформування, ефект самозмащування, ефект «зализування» пор.

Рассмотрены способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием. Предложен способ поверхностного упрочнения, который позволит обрабатывать маложосткие кольца из пористых спеченных композиций с повышением жесткости технологической системы инструмент-деталь и эксплуатационных характеристик, обеспечивая эффект самосмазывания. Определены основные преимущества применения способа изостатического поверхностного пластического деформирования при обработке колец. Рассмотрен механизм передачи силового воздействия от рабочего элемента (штока) устройства через индентор на обрабатываемую поверхность заготовки. Предложены расчетные формулы для определения режимов изостатического поверхностного пластического деформирования.

Ключевые слова: маложосткие кольца, изостатическое поверхностное пластическое деформирование, эффект самосмазывания, эффект «зализывания» пор.

Considered the methods of finishing-strengthening machining surface plastic deformation. Proposed the method of surface hardening, which will allow machining low rigidity rings from porous sintered compositions with the stiffness of the technological system tool-part and operational characteristics, providing self-lubricating effect. Identified main advantages of application of the method of isostatic surface plastic deformation while processing low rigidity rings. Considered the mechanism of transmission of the force action of the working element (rod) device through the indenter on the processed surface of the workpiece. Proposed formulas for calculating the modes isostatic surface plastic deformation.

Key words: low rigidity rings, isostatic surface plastic deformation, self-lubricating effect, the effect of «licking» pores.

Постановка проблеми. Інтенсифікація текстильного виробництва вимагає підвищення продуктивності крутильних, крутильно-витяжних і прядильних машин за рахунок підвищення надійності і працездатності пари кільце-бігунок (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мала жорсткість кілець збільшує технологічні труднощі по забезпеченню точності форми (рис. 2), а операції механічного оброблення приводять до закриття пор на робочих поверхнях, що погіршує подачу мастила і знижує експлуатаційну надійність пари кільце-бігунок. Кільця поставляються споживачам з відхиленнями, близькими до гранично допустимих. Причому зміна форми у бік збільшення відхилень наступає внаслідок технологічної спадковості вже у споживача кілець. Тому виготовлення кілець, особливо великогабаритних, з потрібними точністю форми та якістю їх робочих поверхонь є одним з актуальних завдань виробництва [1].

Вищенаведені проблеми можна істотно зменшити за рахунок використання й удосконалення методів поверхне­во­го пластичного деформування (ППД). Оброблення повер­хонь маложорстких кілець методами ППД є перспек­тив­ною і може успішно застосовуватися при їх виго­тов­ленні з метою забезпечення високої якості і підвищення експлуатаційних характеристик. Використання ППД у ком­бі­націях з іншими видами оброблення, поліпшуючи якість оброблених поверхонь, не викликає великих додат­кових витрат, оскільки питома собівартість оброблення значно нижча, ніж при використанні традиційних видів опоряджувально-зміцнюючого оброблення. Тобто потрібне поглиблення теорії процесу ППД з розробленням універ­саль­ної математичної моделі, що описує взаємозв’язок між кон­структивними параметрами деформуючих елементів, геометрією контактної зони, режимами оброблення, фізико-механічними явищами в контактній зоні і показ­ни­ками якості обробленої поверхні деталей. Тільки так може бути реалізована розробка нових прогресивних інстру­ментів і способів оброблення ППД, а також вдосконалення методик їх розрахунку, орієнтованих на можливості сучас­ної обчислювальної техніки, які є основою інженерних роз­ра­хунків, широко вживаних при проектуванні пере­до­вих технологічних процесів у вітчизняному і зарубіжному машинобудуванні [2].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Останніми роками все більш широке роз­пов­сюдження знаходять методи оброблення ППД. Вибір способу ППД обумовлюють конструктивні особливості оброблюваних заготовок і вимоги до якості їх поверхонь. Наявні методи [3] умовно поділяють за призначенням на дві групи (рис. 3).

Рис. 3. Класифікація методів оброблення ППД за призначенням

Інструменти для реалізації методів ППД незалежно від їх призначення класифікують за характером взаємодії інденторів з оброблюваною поверхнею заготовки на жорстко пов’язані і пружно пов’язані (рис. 4) [3]. Для інструменту першого класу характерною є наявність натягу, який вимірюється лінійним розміром і, зазвичай, не перевищує допуску на розмір, отриманий на попередній операції (i ≤ 0,2 мм). При роботі з "пружними" інструментами встановлюють необхідне, для протікання пластичної деформації зусилля. Принцип пружно пов’язаних взаємодій найбільш прийнятний при обробленні заготовок криволінійного профілю і низької розмірної точності, з огляду на те, що в такому випадку легко забезпечується можливість адаптації інденторів до оброблюваної поверхні.

Відомі такі способи ППД, як обкатування, розкочування, вигладжування, чеканення та ін. [4]. Відомі також гідродробоструминне та дробоструминне оброблення, які полягають у поступовому наклепі ділянок поверхні, що підлягає обробленню, сферичними інденторами (кульками) [5; 6]. Такі способи ППД можуть використовуватися для оброблення заготовок практично будь-якої конфігурації. Проте жорсткість конструкції деталі повинна бути достатньою для протидії силам деформації поверхні і зміні напруженого стану поверхневого шару на окремих послідовно оброблюваних ділянках. Наявність широкої номенклатури маложорстких кілець вимагає удосконалення відомих способів ППД з метою підвищення їх універсальності і можливості автоматизації процесу.

Рис. 4. Класифікація інструментів для реалізації методів ППД за характером взаємодії
з оброблюваною поверхнею

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Основним завданням опоряджувально-зміцнюючих методів оброблення при виготовленні крутильних кілець є забезпечення ефекту самозмащування при роботі пари кільце-бігунок. При використанні методів ППД за принципом обкатування робочих поверхонь кульками або роликами виникає ефект «зализування» пор, що негативно позначається на експлуатаційних характеристиках кілець. При цьому відбувається деформація кілець під дією інструментів, що в свою чергу призводить до зниження точності їх форми.

Мета статті. Головною метою цієї роботи є розроблення способу ППД, який би дозволив обробляти маложорсткі кільця з пористих спечених матеріалів, при цьому підвищуючи жорсткість технологічної системи інструмент-деталь та експлуатаційні характеристики, забезпечуючи ефект самозмащування.

Виклад основного матеріалу. Поставлена мета досягається зміцненням поверхневого шару одночасно на всіх ділянках оброблюваної деталі – спосіб ізостатичного ППД. Тобто це спосіб оброблення інденторами розподіленими по всій оброблюваній поверхні рівномірно. Теоретично ізостатичний процес характеризується рівномірним розподіленням тиску всередині робочого об’єму, а в цьому випадку з умовно рівномірними втратами на тертя між сферичними інденторами, які після кожного циклу навантаження займають випадкове положення, внаслідок перемішування. При цьому відбувається збільшення величини мікротвердості поверхневого шару зразка, збільшення ступеня зміцнення, зменшення висоти мікронерівностей. Також можна зробити припущення, на основі досліджень О.П. Кадощенка, що забезпечення ефекту самозмащування при дії на поверхню вільних інденторів проходитиме в більш сприятливих умовах протікання процесу, ніж при обкатуванні. В результаті того, що пори на оброблюваних поверхнях закриватимуться без «зализування» металу в порожнину пори і закриття проходитиме рівномірно по всьому діаметру пори.

Запропонований спосіб реалізується за допомогою пристрою, принципова схема якого зображена на рис. 5.

Рис. 5. Принципова схема пристрою для ізостатичного ППД: 1 – робоча камера; 2 – деталь;
3 – сферичні індентори; 4 – поршень

У робочій камері 1 розміщена деталь 2, яка підлягає обробленню, і сферичні індентори (кульки) 3. Поршень 4 служить для створення необхідного зусилля поверхневого пластичного деформування, позначеного на схемі Р.

Запропонований спосіб ґрунтується на тому, що при створенні тиску поршнем 4 кульки 3 передають тиск однаково на всі поверхні, які розміщенні всередині робочої камери 1. На оброблюваних поверхнях (рис. 6, а; б) деталей з’являються осередки деформацій у зоні контакту з кульками, рівномірно розподіленими по всій поверхні деталі. Такий рівномірний розподіл сприятиме зменшенню деформацій оброблюваних деталей і підвищенню стабільності геометричної форми (рис. 7).

а	б
Рис. 6. Схема дії сферичних інденторів на поверхневий шар маложорсткого кільця: а – у поперечному перерізі; б – вид збоку

При запропонованому способі зміцнення з метою покращення якості поверхні і зменшення тертя між кульками в зону деформації подають змащуючо-охолоджуючу рідину, наприклад, гас або мастило.

Для охоплення силовим впливом всієї поверхні оброблюваної деталі і підвищення інтенсивності наклепу змінюють положення деформуючих кульок відносно оброблюваної поверхні. Це, наприклад, здійснюють накладенням обертального руху з частотою n або вібрацій з частотою f на робочу камеру 1 за відсутності тиску Р. Тоді під дією сил інерції або вібрації зміщення кульок і оброблюваної деталі відносно один одного будуть різні в силу різних мас кульок і деталі. Це переміщення можна провести і перемішуванням кульок у робочій камері 1, а також за допомогою витікання деяких кульок з робочої камери. При цьому кульки, які прилеглі до оброблюваних поверхонь, будуть займати інше положення. Менш інтенсивне зміщення кульок відносно оброблюваної поверхні буде відбуватися і при ущільненні об’єму кульок у процесі прикладання зусилля Р.

Застосування цього способу поверхневого зміцнення має такі переваги:

• спосіб може бути застосований для зміцнення поверхонь будь-якої конфігурації в поперечному перерізі і просторі;

• жорсткість конструкції деталі не обмежує режим зміцнення;

• поверхневе зміцнення не викликає викривлення геометричної форми нежорстких деталей;

• спосіб володіє широкою універсальністю і для його реалізації не потрібно складного дорогого обладнання;

• відбувається зміцнення поверхневого шару та закриття пор, але не «зализування», що є більш кращим варіантом для забезпечення ефекту самозмащування.

Для подальшого дослідження ізостатичного ППД і побудови математичної моделі цього процесу, необхідно розглянути розрахункові формули для визначення режимів оброблення. В подальшому за допомогою математичної моделі процесу ізостатичного ППД будуть визначені оптимальні режими проведення оброблення з метою отримання необхідних параметрів якості і регулярного мікрорельєфу поверхонь кілець.

 

 

 

 

 

 

 

Нині є загальновизнаним, що основними чинниками, які впливають на показники якості поверхневого шару при обробленні деталей поверхневим пластичним деформуванням, є зусилля деформації і площа поверхні контакту.

Формула для обчислення площі поверхні контакту деталі з інструментом (деталь-індентор) була виведена в роботі [7]:

(1)

Розглянемо механізм передачі силової дії від робочого штока пристрою через індентори на оброблювану поверхню заготовки (рис. 8). Індентор, що здійснює деформування оброблюваної поверхні, може мати мінімальну кількість зв’язків, яка дорівнює двом. А це означає, що зусилля, яке передається від k_і-1 індентору на k_і, передається на оброблювану поверхню. Витрати при виконанні роботи деформування будуть залежати від сил тертя, оскільки у процесі деформації існує переміщення інденторів один відносно одного. Вектор сил тертя F_тp буде направлений у бік, протилежний переміщенню.

Рис. 8. Механізм передачі силової дії від індентора на оброблювану поверхню

Тоді на оброблювану поверхню буде передано зусилля деформування, яке визначається за формулою:

(2)

Реакція R_i взаємодії k_i індентора з оброблюваною поверхнею заготовки може бути визначена з умови рівноваги діючої системи сил. У напрямку дії сили Р, що прикладається до витоку, для і+1 і і інденторів відповідно будуть справедливі рівності:

(3)

де k – кількість k_i-тих інденторів, які знаходяться в контакті з k_i+1 індентором.

Величина кута α між напрямками, що передаються, сил визначається за формулами:

(4)

де х – величина початкового зазору між двома інденторами в напрямі, перпендикулярному дії сили Р;

r – радіус індентора;

h – глибина впровадження індентора.

Дійсне значення кута α, маючи імовірнісний характер розподілу, буде знаходиться в межах, що визначаються за формулами.

Потрібне зусилля, що передається k_i індентором на оброблювану поверхню і утворюючи відбиток діаметром D₀, буде пов’язано з твердістю матеріалу НВ залежністю:

(5)

де D_і – діаметр індентора, мм.

Допустима сила взаємодії між інденторами визначається з умови контактної міцності загартованих кульок: Р_доп = 54,5 _. Якщо задати коефіцієнти тертя ковзання f і тертя кочення μ, можна знайти зусилля на штоку пристрою, яке визначається за формулою:

(6)

де k_р – кількість інденторів, що знаходяться в контакті з оброблюваною поверхнею і внутрішньою поверхнею робочої камери;

М – кількість зв’язків між інденторами, які поміщені в робочу камеру.

Знаючи об’єм робочої камери й оброблюваної заготовки кільця можна визначити вірогідну кількість зв’язків між інденторами:

, (7)

де k_К – кількість інденторів у камері;

k_1СВ – коефіцієнт щільності упаковки інденторів у робочій камері;

k_2СВ – коефіцієнт відносної взаємодії інденторів у робочій камері.

При використанні інденторів малого діаметра створюються умови деформації при підвищеній жорсткості технологічної системи верстат-пристрій-інструмент-деталь. Із зменшенням діаметра інденторів збільшується жорсткість, зменшується піддатливість оброблюваної заготовки, оскільки збільшується кількість точок прикладання сил до поверхні кільця. У площині, перпендикулярній осі кільця, кількість точок прикладення сил визначається з умови:

(8)

де R – внутрішній радіус оброблюваної поверхні кільця.

При малих значеннях кута α, можна користуватися формулою:

(9)

При щільній упаковці інденторів відношення між висотою кільця і діаметром інденторів визначається за формулою:

(10)

де m – кількість прошарків.

Тоді кількість прошарків можна визначити за формулою:

(11)

Відстань між інденторами в одному шарі при обробленні внутрішньої поверхні:

(12)

Відстань між інденторами в одному шарі при обробленні зовнішньої поверхні:

(13)

При обробленні плоскої поверхні площа відбитку може бути визначена за формулою:

(14)

Залежність, запропонована М.М. Саверіним, для дробоструминного наклепування, виражає відношення поверхні відбитків, які є слідами інденторів, до всієї оброблюваної поверхні:

(15)

де b – коефіцієнт, що відображає швидкість, з якою оброблювана поверхня покривається слідами інденторів у початковий момент процесу оброблення;

t – час оброблення.

Коефіцієнт b визначається, як тангенс кута підйому початку кривої залежності :

(16)

Виразимо час оброблення t через кількість циклів навантаження N:

(17)

де ω – кількість навантажень в одиницю часу.

Оброблювана поверхня буде покрита відбитками після першого циклу вантажень на величину, визначувану відношенням:

(18)

Швидкість, з якою оброблювана поверхня буде покрита відбитками в початковий момент часу:

(19)

Тоді формула (15) без врахування перетину осередків деформацій може бути записана у вигляді:

(20)

Проте процес взаємодії інденторів з оброблюваною поверхнею носить випадковий характер. Кількість інденторів, що взаємодіють з оброблюваною поверхнею K_ф, з врахуванням імовірнісного характеру їх розподілу, буде знаходитись між K_max і K_min:

(21)

де L – довжина твірної поверхні криволінійного профілю.

Більш щільна упаковка інденторів в об’ємі робочої камери досягатиметься при найбільших силах тиску і найменшому коефіцієнті тертя між інденторами. Тоді K_ф наближатиметься до K_max. За умови роботи з ЗОР можна прийняти:

(22)

Необхідну кількість циклів навантаження для покриття всієї оброблюваної поверхні осередками деформацій отримаємо